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Elektrisches Relais Die Erfindung betrifft ein elektrisches Relais.
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Es besteht Bedarf für elektrische Relais, insbesondere für miniaturisierte
Relais von niedrigem Profil, die in kompakter Art auf herkömmlichen gedruckten Schaltungsplatten
montiert werden können und die in größeren Stückzahlen mit niedrigen Kosten hergestellt
werden können, wobei eine möglichst kleine Zahl von Teilen in unterschiedlichen
Anordnungen verwendet werden, um eine Familie von Schalteinrichtungen unterschiedlicher
Eigenschaft für unterschiedliche Zwecke zu liefern. Diese Ziele können nicht durch
einfaches Herabsetzen der Maße herkömmlicher Konstruktionsarten erreicht werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein elektrisches Relais zu schaffen,
das die vorgenannten Ziele erreicht und insbesondere eine verbesserte Empfindlichkeit
und verbesserte Raumausnutzung liefert.
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Das erfindungsgemäße Relais hat außerdem noch den Vorteil, daß in
dem magnetischen Kreis mehr Luftspalte vorhanden sind, um
ein vergrößertes
Drehmoment seines Ankers zu liefern. Vorteilhafterweise besitzt das Relais auch
eine aufgebogene H-förmige Armatur, die eine Konstruktionsform liefert, die leicht
und schnell zusammengebaut werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das
erfindungsgemäße Relais wärmeverschweißbare thermoplastische Kunststoffrahmen aufweist,
wodurch sich eine verbesserte Stiftmontage für externe Schaltkreisanschlüsse ergibt.
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Das erfindungsgemäße Relais ermöglicht einen Betrieb mit sehr geringer
Leistung.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
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Durch die Erfindung wird somit ein Miniaturrelais geschaffen, das
einen verbesserten elektromagnetischen Motorkreis und eine verbesserte mechanische
Konstruktion aufweist, wobei das Relais auf herkömmliche gedruckte Leiterplatten
montiert werden kann.
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Ein ausbalanciertes H-förmiges Ankerteil schwenkt auf der Achse seines
Querträgers für ein Zusammenwirken mit entweder einem oder zwei stationären magnetischen
Gliedern oder Magnetflußsammlern. Indem entweder ein stationäres magnetisches Glied
oder auch beide stationäre magnetische Glieder und/oder das Querglied der Armatur
in unterschiedlicher Kombination verwendet werden, können eine, zwei oder drei Erregerspulen
verwendet werden. Das Querglied der Armatur oder das eine oder beide stationäre
Glieder können Permanentmagneten mit unterschiedlicher Kombination mit den Erregerspulen
umfassen, um polarisierte Relais unterschiedlicher Charakteristik zu erhalten. Jedes
stationäre magnetische Glied umfaßt zwei Luftspalte, um ein Drehmoment auf die Armatur
auszuüben. Die Verwendung von zwei stationären magnetischen Gliedern oder Magnetflußsammlern
liefert vier Luftspalte, um ein Drehmoment auf die Armatur auszuüben.
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Die Empfindlichkeit des Relais wird dadurch erhöht, daß die ausbalancierte
H-förmige Armatur in Verbindung mit entweder einem oder zwei stationären magnetischen
Gliedern oder Magnetflußsammlern verwendet wird. Ein einziges stationäres magnetisches
Glied
umfaßt zwei Luftspalte in dem Magnetkreis, um das Armaturendrehmoment zu erzeugen.
Die Verwendung eines zweiten stationären Magnetgliedes erzeugt einen zweiten Magnetkreis,
der dazu dienen kann, ein noch größeres Drehmoment in der Armatur zu erzeugen wie
bei einem polarisiertem empfXindlichen Relais.
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Die Motoranordnung wird in thermoplastischen Rahmenteilen gehalten,
die in bequemer Weise mittels Hitzeverschweißungen zusammengebaut werden können.
Neuartige Stiftanordnungen sind vorgesehen, um den Sockel in herkömmliche gedruckte
Leiterplatten einzupacken, sodaß eine hohe Packungsdichte erreicht wird.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den
Zeichnungen. Verschiedene Veränderungen können in Einzelheiten der Konstruktion
und Anordnung der Teile gemacht werden, und bestimmte Merkmale können unabhängig
von den anderen benutzt werden.
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Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines empfindlichen
Relais, das die Erfindung umfaßt, wobei einzelne Teile weggebrochen sind; Fig. 2
eine auseinandergezogene Ansicht des Relais der Fig. 1; Fig. 3 eine Ansicht längs
der Schnittlinie 3-3 der Fig. 2; Fig. 4 eine Querschnittsansicht gemäß Linie 4-4
in Fig. 1; Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines hoch empfindlichen Relais gemäß
der Erfindung; Fig. 6 eine ähnliche Ansicht, die ein empfindliches Relais mit drei
Stellungen zeigt;
Fig. 7 eine ähnliche Ansicht, die ein einspuliges
magnetisches Klinkenrelais zeigt; Fig. 8 eine ähnliche Ansicht, die ein doppelspuliges
Magnet-Klinkenrelais zeigt; und Fig. 9 eine perspektivische Ansicht der Armatur
der Fig. 8.
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Wie in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigt ist, sind alle Teile des Relais
auf einer Basis oder einem Kopf 10 montiert, der vorzugsweise aus einem geeigneten
thermoplastischen Material hergestellt ist, beispielsweise aus Delrin, das von der
E. I. du Pont de Nemours & Co. hergestellt wird. Zwei Stiftanordnungen, wie
sie in Fig. 3 gezeigt sind, montieren das Relais in Sockel auf einer gedruckten
Leiterplatte und bilden externe Schaltkreisverbindungen zu den Spulen und Schaltern
des Relais.
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Eine Stiftanordnung umfaßt die Metallstifte 11, 12,13, 14 und 15,
von denen der Stift 13 bei diesem besonderen Relais keine Funktion besitzt. Die
Stiftanordnung umfaßt ein Querstück aus Kunststoffmaterial 16, das um die Stifte
herumgespritzt ist, um diese in geeignete Beziehung zueinander als Einheit zu halten.
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Das Querstück 16 ist vorzugsweise aus einem geeigneten thermoplastischen
Material hergestellt, beispielsweise aus Ryton, das von der Phillips Petroleum Company
hergestellt wird und den Löt-oder Schweißtemperaturen standhält. Das Kunststoffmaterial
des Kopfes 10 ist um das Querstück 16 der zwei Stiftanordnungen herumgespritzt,
wobei das Delrin beim Abkühlen einen höheren Schrumpfungsfaktor aufweist als das
Ryton, wodurch der Kunststoff im Kopf 10 um jedes Querstück 16 herum eine Druckdichtung
bildet.
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Eine elastische Metallzunge 20, die einen Reed-Kontakt 21 trägt, ist
an dem Stift 11 angelötet oder angeschweißt. Ein unterer fester Kontakt 22 ist am
Stift 15 und ein oberer fester Kontakt 23 am Stift 14 angelötet oder angeschweißt.
Die Enden der Magnetspulen des Relais sind mit den Stiften 12 in den zwei Stiftanordnungen
verlötet
oder verschweißt. Die Verlötungs- oder Verschweißungstemperaturen, denen die Stifte
ausgesetzt werden, werden von dem wärmeunempfindlichen Kunststoff des Querstücks
16 aufgenommen, ohne daß der Kunststoff des Kopfes 10 erweicht oder beschädigt wird.
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Die gegenüberliegenden Seiten des Kopfes 10 sind bei 24 genutet, um
die unteren Enden eines Paares von thermoplastischen Endrahmen 25 aufzunehmen, die
mit dem Kopf hitzeverschweißt sind. Jeder Endrahmen 25 enthält ein Lagerloch 26
für die Armatur und ein Paar Schlitze 27 und 28 auf gegenüberliegenden Seiten dieser
Lagerung.
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Ein zylindrischer Magnetflußsammelkern 29 aus Eisen, der eine Magnetspule
30 trägt, besitzt rechteckige Polstücke an seinen gegenüberliegenden Enden, die
in den Schlitzen 27 in den zwei Endrahmen 25 montiert sind. Der Kern 29 wird in
den Schlitzen 27 mittels eines Paares thermoplastischer Eivschübe 31 gehalten, die
mit den Rahmen 25 hitzeverschweißt sind. Da in diesem Relais nur eine einzige Magnetspule
vorhanden ist, werden die gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 25 durch ein thermoplastisches
Rückhalteglied 32 stabilisiert, das die gleiche Form aufweist, wie der Kern 29 und
in den Schlitzen 28 aufgenommen und mit den Rahmen 25 hitzeverschweißt ist.
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Eine Eisenarmatur 35 von H-förmigem Querschnitt besitzt ein axiales
Querglied 36 und zwei parallele radiale Arme 37, die sich von dem Querglied 36 an
dessen entgegengesetzten Enden im rechten Winkel dazu erstrecken. Die Enden des
Quergliedes 36 sind mit einem Paar Drehstiften 38 ausgestattet, die sich in den
Lagerlöchern 26 der Rahmen 25 drehen. Die Armatur ist um die Achse der Drehstifte
38 herum symmetrisch, wobei sie um ihren Schwerpunkt herum ausbalanciert ist und
dadurch von externen Vibrationen oder Beschleunigungskräften nicht gestört wird.
Die Arme 37 tragen ein Paar Hebelarme 40, die Glasperlen 41 aufweisen, um die Reed-Kontakte
21 auf den zwei Stiftanordnungen
zu berühren und zu betätigen,
wenn die Spule 30 erregt ist.
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Die gesamte Struktur ist innerhalb einer thermoplastischen Hülle 45
eingeschlossen, die mit dem Kopf 10 hitzeverschweißt ist.
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Nach dem Zusammenbau wird die Luft aus der Hülle 45 über ein kleines
Loch 39 ausgepumpt und durch Stickstoff ersetzt und das Loch dann durch Wärmeeinwirkung
abgedichtet. Das in Fig. 1 dargestellte vollständige Relais ist 15 mm breit, 15
mm lang und 10 mm hoch. Jedoch sollen diese Maße keine Einschränkung des beanspruchten
Gegenstandes beinhalten.
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Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Relais mit der einzigen Erregerspule
30 ist als ein empfindliches Relais ausgeführt. In Fig. 4 ist ein Relais gezeigt,
bei dem eine federnde Zunge 20 einen Reed-Kontakt 21 normalerweise gegen einen oberen
stationären Kontakt 23 hält und die Armatur 35 entgegen Uhrzeigerrichtung weg von
den Polflächen des Kerns 29 und zu dem Rückhalteglied 32 drückt. Wenn die Spule
30 erregt wird, werden die zwei Ankerarme 37 zu den Nord- und Südpolflächen auf
entgegengesetzten Enden des Kerns 29 gezogen, wodurch der Anker sich in Uhrzeigerrichtung
dreht und den Hebelarm 40 veranlaßt, den Reed-Kontakt 21 von dem stationären Kontakt
23 zum stationären Kontakt 22 zu verschieben.
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Das gleiche Schaltereignis tritt an dem anderen Kontaktsatz auf, der
mit der zweiten Stiftanordnung der Fig. 2 verbunden ist, wobei der gesamte Schaltmechanismus
als ein doppelpoliger, zweizügiger Schalter arbeitet. Wenn die Spule 30 entregt
wird, drehen die Zungen 20 den Anker 35 in Gegenuhrzeigerrichtung und bringen beide
Reed-Kontakte 21 zu den oberen stationären Kontakten 23 zurück.
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Das hochempfindliche Relais der Fig. 5 ist das gleiche Relais, wie
es in Fig. 4 dargestellt ist, mit der Ausnahme, daß eine zweite Spule 50 auf dem
Ankerquerglied 36 angebracht ist. Die Polarität der Spule 50 ist hinsichtlich der
Spule 30 umgekehrt,
so daß ein Nordankerarm 37 an einem Ende des
Quergliedes 36 zu dem Südende des Kerns 29 angezogen wird, während der Südankerarm
37 am gegenüberliegenden Ende des Quergliedes 36 zu dem Nordende des Kerns 29 angezogen
wird. Das hochempfindliche Relais der Fig. 5 erfordert dadurch nur die halbe Betriebsleistung,
wie das empfindliche Relais der Fig. 4.
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Die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform stellt ein empfindliches
Relais mit drei Stellungen dar. Dieses Relais umfaßt einen zweiten stationären Magnetflußsammlerkern
59 und eine Spule 60.
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Die Kontaktanordnung der Stiftanordnungen ist umgekehrt, wobei die
Zunge 20a und der Reed-Kontakt 21a sich nach links zwischen den unteren stationären
Kontakt 22a und den oberen stationären Kontakt 23a erstrecken. Die Erregung der
Spule 60 dreht den Anker in Gegenuhrzeigerrichtung, wodurch der Hebelarm 40a veranlaßt
wird, den Reed-Kontakt 21a vom stationären Kontakt 23a zum Kontakt 22a zu verschieben.
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Eine Stiftanordnung mit einer Kontaktanordnung, wie sie in Fig. 4
und 5 gezeigt ist, liegt außerhalb der Sichtebene in Fig. 6, um von dem Hebelarm
40 auf dem anderen Ankerarm 37 betätigt zu werden, der ebenfalls außerhalb der Sichtebene
liegt.
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Wenn die Spule 30 erregt wird, wird der Anker in Uhrzeigerrichtung
gedreht, um die in Fig. 5 dargestellten Schaltfunktionen auszuführen. Dieser Schaltmechanismus
arbeitet in Fig. 6 wie zwei getrennte einpolige, doppelzügige Schalter.
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Wenn beide Spulen 30 und 60 entregt werden, halten die zwei Zungen
ihre entsprechenden Reed-Kontakte gegen die oberen stationären Kontakte, wodurch
die Hebelarme 40 und 40a veranlaßt werden, den Anker in eine mittlere Stellung vorzuspannen,
wie sie dargestellt ist.
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Das Relais der Fig. 7 ist ein bistabiles, einspuliges Magnet-Klinkenrelais.
Die Kerne 29 und 59 in Fig. 6 sind von einem Paar Permanentmagneten 65 und 66 ersetzt
und eine einzige Spule 50 ist auf der Armatur wie in Fig. 5 montiert. Die Magnete
65 und 66 sind hinsichtlich ihrer Polarität entgegengesetzt, so
daß
das Nordende des einen Magneten gegenüber dem Südende des anderen Magneten liegt.
Der Hebelarm 40a betätigt den Reed-Kontakt 21a, wie in Fig. 6, während außerhalb
der Sichtebene ein zweiter Hebelarm 40 auf dem anderen Ankerarm 37 einen umgekehrten
Reed-Kontakt betätigt, der dem Reed-Kontakt 21 in Fig. 4 und 5 entspricht. Auf diese
Weise bildet der Schalter in Fig. 7 einen doppelpoligen doppelzügigen Schalter.
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Wenn die Spule 50 in ihrer einen Polarität erregt wird, dreht sich
die Armatur in Gegenuhrzeigerrichtung und veranlaßt den Ankerarm 40a, den Reed-Kontakt
21a von dem oberen stationären Kontakt 23a zu dem unteren stationären Kontakt 22a
zu verschieben.
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Die Erregung der Spule braucht nur momentan zu erfolgen. Sobald die
Armaturarme 37 die Polflächen des Magneten 66 berühren, wird der Anker in dieser
Stellung durch die magnetische Anziehung gehalten, wobei der Nordankerarm 37 die
Südpolfläche des Magneten 66 berührt, und der Südankerarm 37 die Nordpolfläche des
Magneten 66. Diese magnetische Anziehung ist größer als die Federkraft der Zunge
20 a, wodurch der Anker in seiner betätigten Stellung bleibt, nachdem die Spule
50 entregt wurde und der Anker in dieser Stellung verbleibt, bis die Spule 50 mit
einer umgekehrten Polarität erregt wird.
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Wenn die Richtung des Stromes durch die Spule 50 umgekehrt wird, wird
die Polarität des Ankerarms 37 umgekehrt, so daß der Nordankerarm 37 die Nordpolfläche
des Magneten 66 und der Südankerarm 37 die Südpolfläche des Magneten 66 berührt.
Zur gleichen Zeit wird der Nordankerarm 37 von der Südpolfläche des Magneten 65
und der Südankerarm 37 von der Nordpolfläche des Magneten 65 angezogen. Dies verursacht
eine Uhrzeigerdrehung des Ankers, wodurch der Reed-Kontakt 21a zum oberen stationären
Kontakt 23a zurückgebracht wird, wie dargestellt, und wodurch der Hebelarm 40 den
anderen Reed-Kontakt nach unten betätigt.
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Wiederum braucht die Erregung der Spule 50 nur momentan zu sein, wobei
die Armatur- oder Ankerarme gegen die Polflächen von entgegengesetzter Polarität
des Magneten 65 durch die magnetische Anziehung gehalten werden, nachdem die Spule
entregt wurde.
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Das bistabile zweispulige Klinkenrelais der Fig. 8 führt die gleichen
Funktionen aus, wie das in Fig. 7 dargestellte Relais, aber ohne die Notwendigkeit,
die elektrischen Verbindungen umzukehren. Die Schaltfunktion ist die eines doppelpoligen,
doppelzügigen Schalters, wie er in Verbindung mit Fig. 7 beschrieben wurde.
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In Fig. 9 umfaßt das axiale Querglied der Armatur, das in Fig. 8 gezeigt
ist, einen Permanentmagneten 70. Einer der Radialarme 70 aus weichem Eisen bildet
einen Nordpol für den Magneten, während der andere Arm 71 den Südpol bildet. Diese
Teile werden durch ein Paar nichtmagnetischer Platten 72 in Stellung gehalten, die
an ihren Enden mit den Armen 71 verschweißt sind.
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Die Spulen 30 und 60 sind in gleicher Richtung polarisiert, wenn sie
erregt werden, wobei die Nordpolflächen der beiden Kerne 29 und 59 angrenzend zum
Arm 71 am Nordende des Magneten 70 liegen, während die Südpolflächen der beiden
Kerne 29 und 59 angrenzend zum Arm 71 an dem Südende des Magneten 70 liegen.
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In Fig. 8 werden beide Spulen 30 und 60 entregt und die Nord-und Südankerarme
71 werden magnetisch zu den entgegengesetzten Enden des Weicheisenkerns 59 gehalten,
wodurch der Reed-Kontakt 21a gegen den unteren stationären Kontakt 22a gehalten
und der andere Reed-Kontakt 21, der in der Fig. 8 nicht erscheint, gegen den oberen
stationären Kontakt 23 in der zweiten Kontaktstiftanordnung gemäß Fig. 2 gehalten
wird.
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Die Armatur wird in Uhrzeigerrichtung gedreht, indem die Erregerspule
60 momentan erregt wird, wodurch der Nordpol des Kerns 59 den Nordpolarm 71 abstößt
und der Südpol des Kerns 59 den Südpolarm 71 abstößt. Gleichzeitig werden die entgegengesetzten
Enden der Nord- und Südpolarme 71 von den entgegengesetzten Enden des Weicheisenkerns
29, den magnetisch einklinkenden Armen 71 zum Kern 29 hingezogen. Diese Armaturbewegung
verschiebt den Reed-Kontakt 21a vom Kontakt 22a zum Kontakt 23a und verschiebt den
Reed-Kontakt 21 vom Kontakt 23 zum Kontakt 22. Die Armatur
verbleibt
in dieser Stellung, nachdem die Spule 60 entregt wurde.
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Die Armatur wird in die Stellung gemäß Fig. 8 zurückgebracht, indem
die Spule 30 momentan erregt wird, wodurch das Nordende des Kerns 29 den Nordpolarm
71 abstößt, und wodurch das Südende des Kerns 29 den Südpolarm 71 abstößt, während
zur gleichen Zeit die entgegengesetzten Enden der Arme 71 vom Kern 59 angezogen
werden.
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Weitere Ausführungsformen ergeben sich für den Fachmann. Z. B.
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können die Spulen auf beide Kerne 29 und 59 gemäß Fig. 6 angeordnet
werden und eine dritte Spule auf dem axialen Armaturquerglied montiert sein, wie
in Fig. 7 dargestellt, um ein dreispuliges Relais zu liefern. Mit geeigneten Verbindungen
für die verschiedenen Spulen lieferte diese Anordnung ein empfindliches Differentialrelais.
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Patentansprüche: