DE3024343A1 - Elektromagnetisches relais - Google Patents

Description

SDS- Elektro GmbH 80/6/2

Elektromagnetisches Relais

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Relais, das über Gleichrichterdioden mit Wechselspannung ansteuerbar ist.

Gegenüber dem Betrieb von Relais mit Gleichspannung ist die Ansteuerung mit Wechselspannung, insbesondere bei den üblichen Versorgungsspannungen von Ho bzw. 22o V, relativ großvo3umigen ungepolten Relais vorbehalten, die bei einem Wickelvolumen von einigen Kubikzentimetern Spulenverlustleistungen bis zu einigen Watt vertragen, üblicherweise sind diese Relais mit einem Kurzschlußring versehen, der die Abfallzeiten derart verlängert, daß die Relais beispielsweise bei 5o Hz-Betrieb weder abfallen, noch flattern.

Auch die gepolten Relais lassen sich an Wechselspannung betreiben, wenn z.B. ein Brückengleichrichter verwendet wird. Die Gleichrichterdioden wirken gleichzeitig wie Löschdioden und verlängern dadurch die Abfallzeit des Relais etwa um den Faktor 5. Wollte man nun ein solches Relais bei vertretbarem Bauvolumen mit der für gepolte Gleichspannungsrelais üblichen Erregerleistung von ca. 15o mW an 22o V Wechselspannung betreiben, so wären Spulenwiderstände erforderlich, die weit oberhalb des technisch Realisierbaren liegen. Um hier Abhilfe zu schaffen, bleibt die Möglichkeit, den Erregerstrom zu

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begrenzen, und zwar entweder durch einen ohmschen Vorwiderstand, der selbst 1 bis 2 Watt verbraucht oder durch einen vorgeschalteten Kondensator, der nur Blindleistung aufnimmt und deshalb keine Wärme erzeugt. Beide Bauteile können, was nachteilig ist, bei einem Leiterplattenrelais nur extern angebracht werden; der ohmsche Widerstand der Wärmeentwicklung wegen, der Kondensator wegen des erheblichen Raumbedarfs.

Versucht man bei modernen Relais, wie sie beispielsweise aus der DAS 24 54 967 bekannt sind, maximalen Spulenwiderstand zu realisieren, so erreicht man mit den dünnsten, noch mit vertretbarem Aufwand zu verarbeitenden Kupferlackdrähten mit ca. 2o kil einen Maximalwert. Wollte man nun ein solches Relais an 22o V Wechselspannung betreiben, so würden an der Erregerspule 2,4 Watt elektrischer Energie in Wärme umgesetzt, was eine Temperaturerhöhung des Relais um 14o°C zur Folge hätte.

Demgegenüber ist es nun Aufgabe der Erfindung, ein elektromagnetisches Relais zu schaffen, das auch bei Wechselspannungsbetrieb und insbesondere bei höherer Spannung relativ wenig Ansteuerenergie benötigt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei voneinander galvanisch getrennte, gleichsinnig gewickelte, kapazitiv gekoppelte Spulenwicklungen vorgesehen sind, daß jede Spulenwicklung für sich jeweils mit zwei Dioden beschaltet ist, derart, daß die ersten Dioden mit ihren Kathoden jeweils an die WicklungsanfSnge und die zweiten Dioden mit ihren Anoden jeweils an die Wicklungsenden angeschaltet sind, daß die den Spulenwicklungen abgewandten Anschlüsse der ersten und zweiten Dioden jeweils miteinander verbunden und an die beiden Anschlüsse der Wechselspannung gelegt sind, daß die Durchflutung der beiden Spulenwicklungen unabhängig von der

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Polarität der Wechselspannung stets in gleicher Richtung erfolgt und der Erregerstrom im wesentlichen durch die Koppelkapazität zwischen den Spulenwicklungen begrenzt ist.

Durch diese Maßnahme erhält man ein Relais, das bei relativ niederohmigen Spulenwicklungen einen geringen Bedarf an Steuerleistung hat, zumal der Erregerstrom durch die Kapazität zwischen den Spulenwicklungen auf einen relativ kleinen Wert begrenzt wird. Bei niederohmigen Spulen und gleichzeitiger Strombegrenzung erreicht man, daß auch bei geringem Bauvolumen relativ wenig Erregerleistung aufgenommen wird und damit kaum nennenswerte Eigenerwärmung des Relais auftritt. Der aus der Kapazität zwischen den Spulenwicklungen resultierende Blindwiderstand ist entsprechend der Frequenz der angelegten Wechselspannung in seinem Betrag wesentlich größer als der ohmsche Widerstand der Spulenwicklungen, so daß der Spulenwiderstand .bei der Ermittlung des benötigten Erregerstromes in erster Näherung vernachlässigbar ist. Hieraus ergibt sich, daß die zur Erregung des Magnetsystems erforderliche Durchflutung θ bzw. die nötige AW-Zahl, ausgehend von einer bestimmten Windungszahl einer Spule erreicht wird, indem die Kapazität zwischen den Spulenwicklungen so groß gemacht wird, daß deren Blindwiderstand bei der Frequenz der angelegten Spannung einen ausreichenden Stromfluß zuläßt.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zur Erzielung definierter Ansprechspannung U^ vorgesehen, daß

all

diese im wesentlichen folgender Formel genügt:

(Jan ~ , worin

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ORIGINAL INSPECTED

- f-t.

θ die zum Ansprechen des Relais erforderliche Durchflutung,

w die Windungszahl einer Spule (W1, W2),

ω die Kreisfrequenz der angelegten Wechselspannung (U),

C die Kapazität zwischen den beiden Spulenwicklungen.· und

R der ohmsche Widerstand einer Spulenwicklung (W1, W2) ist.

Bei dieser Näherungsformel, die der praktischen Anwendung genügt, ist die Spuleninduktivität unberücksichtigt, weil bei dieser Anordnung, für die die Induktivität bestimmenden Spulenwicklungen lediglich ein pulsierender Gleichstrom wirksam ist. Auch ist der ohmsche Widerstand der Spulenwicklungen, im Verhältnis zu dem aus der kapazitiven Kopplung resultierenden, wesentlich größerem, in Serie liegenden kapazitiven Blindwiderstand in vielen Fällen vernachlässigbar. Die erforderliche Durchflutung θ ist eine für das jeweilige Magnetsystem bekannte Größe. Somit ergibt sich, daß die Ansprechspannung des Relais z.B. durch Erhöhen der Frequenz der Wechselspannung oder Vergrößern der Kapazität zwischen den Spulenwicklungen erniedrigt werden kann.

Was die Kapazität anbelangt, kann zu diesem Zweck vorgesehen sein, daß die beiden Spulenwicklungen zweidrähtig gewickelt sind und als Kapazität die gemeinsame Wicklungskapazität wirksam ist.

Bei einer solchen zweidrähtigen Spulenwicklung liegen die Anfänge und Enden beider Wicklungen jeweils nebeneinander. Man erzielt mit dieser Art der Wicklung wesentlich höhere Kapazitätswerte als mit Lagenwicklungen. Eine weitere Steigerung der Wicklungskapazität zweidrähtig gewickelter Spulenwicklungen erzielt man durch Verkleinerung der Drahtdurchmesser.

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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht ferner in der Verwendung bei einem Magnetsystem, dessen elektromagnetischer Fluß von einem Dauermagnetfluß überlagert ist. Hierdurch erreicht man eine erhebliche Steigerung der Empfindlichkeit des Relais. Es ist damit möglich, WechselSpannungsrelais in Miniaturbauweise bei ebenso geringem Bedarf an Ansteuerenergie zu realisieren, wie dies bei den eingangs zitierten Gleichspannungsrelais möglich ist.

Außerdem kann bei einem derartigen Dauermagnetsystem vorgesehen sein, daß ein Teil der Dauerflußkraft in Kontaktfedern des Relais speieherbar ist. Neben einer weiteren Steigerung der Ansprechempfindlichkeit des Relais eröffnet sich hierdurch die Möglichkeit, daß die Erregerleistung des Relais, im Rahmen der verfügbaren Dauerflußkraft, unabhängig von der Kontaktkraft bzw. der Zahl der zu betätigenden Kontaktfedern gemacht werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargstellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 einen Plan aus dem die Beschaltung der Spulenwicklungen des erfindungsgemäßen Relais ersichtlich ist und

Fig. 2 und Fig. 3 Schaltpläne, die die Stromflüsse bei unterschiedlicher Polarität der angelegten Wechselspannung zeigen.

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In den Figuren sind die Spulenwicklungen W1, W2 eines elektromagnetischen Relais dargestellt, das über Gleichrichterdioden D1, D2, D3, D4 an die Anschlüsse 5, 6 einer Wechselspannung U gelegt ist. Die beiden Spulenwicklungen W1, W2 sind galvanisch voneinander getrennt und zweidrähtig, also in einem Arbeitsgang und damit im gleichen Wicklungssinn gewickelt. An die nebeneinander liegenden Wicklungsanfänge 1, 3 sind erste Dioden D1, D3 mit ihren Kathoden und an die ebenfalls nebeneinander liegenden Wicklungsenden 2, 4 sind zweite Dioden D2, D4 mit ihren Anoden angeschlossen. Die den Spulenwicklungen W1, W2 abgewandten Anschlüsse der ersten und zweiten Dioden D1, D3 bzw. D2, D4 sind jeweils miteinander verbunden und an die beiden Anschlüsse 5> 6 der Wechselspannung U gelegt. Infolge der gewählten Beschaltung der Spulenwicklungen W1, W2 mit den Dioden D1, D2, D3, D4 fließt der Strom J, unabhängig von der Polarität der angelegten Wechselspannung U, stets in gleicher Richtung durch die beiden Spulen, während er sich in der zwischen beiden Wicklungen W1, W2 befindlichen Kapazität C umkehrt. Da es sich beim vorliegenden Ausführungsbeispiel um keine diskrete Kapazität sondern die durch die zweidrähtige Wicklung bedingte Wicklungskapazität handelt, ist diese in den Figuren gestrichelt eingezeichnet.

Bei der in Figur 2 gegebenen Polarität, positives Potential am Anschluß 5 und negatives am Anschluß 6, fließt der Erregerstrom J vom Pluspol über die erste Diode D1 zum Anfang 1 der Spulenwicklung W1, über die Spulenkapazität C zur Spulenwicklung W2 zum Ende 4 dieser Wicklung und von dort über die zweite Diode D4 zum Minuspol der Wechselspannung. Die Dioden D2 und D3 sind bei dieser Polarität der Wechselspannung U gesperrt. Erfolgt ein Wechsel in der Polarität der Spannung U, wie in Fig. 3 gezeigt, so fließt der Erregerstrom J nun vom

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Anschluß 6 über die erste Diode D3 zum Anfang 3 der Spulenwicklung W2, die'Spulenkapazität C, die Spulenwicklung W1 und die zweite Diode D2 am Spulenwicklungsende 2 zum Minuspol 5 der Wechselspannung U. In diesem Falle sind die Dioden D1 und D4 gesperrt. Während die Spulenwicklungen W1 und W2 stets in gleicher Richtung durchflutet werden, fließt über die beide Spulen koppelnde Wicklungskapazität ein Wechsel- · strom. Um für das Relais die gewünschte Ansprechspannung IJ

zu erzielen, sind die Spulenkapazität C und die Windungszahl w einer jeden Spulenwicklung W1, W2 gemäß der vorerwähnten Formel gewählt.

Die jeweils notwendige Durchflutung θ ist dabei für das jeweilige Magnetsystem bekannt. In der angegebenen Näherungsformel ist der ohmsche Spulenwiderstand vernachlässigbar, wenn er im Betrag wesentlich unter dem aus der Wicklungskapazität resultierenden Blindwiderstand liegt. Die Kapazitätswerte für nebeneinander geführte Spulendrähte sind ebenfalls bekannt, so daß sich die Wicklungskapazität einer zweidrähtig gewickelten Spule in guter Näherung berechnen läßt.

Beispielsweise erhält man bei einem modernen Kleinrelais mit einer zweidrähtigen Spulenwicklung bei einer Windungszahl von 1oooo Windungen, eine Wicklungskapazität von 9o nF. Hierbei ergibt sich bei einer Dauererregung des Relais mit 22o V Wechselspannung eine Eigenerwärmung von etwa 1o C, so daß dieses Relais ebenso wie moderne gepolte Gleichspannungsrelais problemlos einsetzbar ist.

3 Figuren

5 Patentansprüche

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- 40-Leerseite

Claims (5)

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   SDS-Elektro GmbH 8o/6/2

   Patentansprüche:

   ( 1.!Elektromagnetisches Relais, 'das über Gleichrichterdloden v_^/mit Wechselspannung ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei voneinander galvanisch getrennte, gleichsinnig gewickelte, kapazitiv gekoppelte Spulenwicklungen (W1, W2) vorgesehen sind, daß jede Spulenwicklung für sich jeweils mit zwei Dioden (D1, D2 bzw. D3, D4) beschaltet ist, derart, daß die ersten Dioden (D1, D3) mit ihren Kathoden jeweils an die Wicklungsanfänge (1, 3) und die zweiten Dioden (D2, D4) mit ihren Anoden jeweils an die Wicklungsenden (2, 4) angeschaltet sind, daß die den Spulenwicklungen (W1, W2) abgewandten Anschlüsse der ersten und zweiten Dioden (D1, D3 bzw. D2, D4) jeweils miteinander verbunden und an die beiden Anschlüsse (5, 6) der Wechselspannung (U) gelegt sind, daß die Durchflutung der beiden Spulenwicklungen (W1, W2) unabhängig von der Polarität der Wechselspannung (U), stets in gleicher Richtung erfolgt und der Erregerstrom im wesentlichen durch die Koppelkapazität zwischen den Spulenwicklungen begrenzt ist.
2. 2. Elektromagnetisches Relais nach Anspruch λ, dadurch gekennzeichnet, daß die für das Ansprechen des Relais erforderliche Spannung U im wesentlichen folgender Formel genügt:

   worin

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   ORIQtNAt INSPECTED

   θ die zum Ansprechen des Relais erforderliche Durchflutung,

   w die Windungszahl einer Spulenwicklungen (W1, W2),

   fcj die Kreisfrequenz der angelegten Wechselspannung (U),

   C die Kapazität zwischen den beiden Spulenwicklungen und

   R der ohmsche Widerstand einer Spulenwicklung (W1, W2) ist.
3. 3. Elektromagnetisches Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungen (W1, W2) zweidrähtig gewickelt sind und als Kapazität (C) die gemeinsame Wicklungskapazität wirksam ist.
4. 4. Elektromagnetisches Relais nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung bei einem Magnetsystem, dessen elektromagnetischer Fluß von einem Dauermagnetfluß überlagert ist.
5. 5. Elektromagnetisches Relais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Dauerflußkraft in Kontaktfedern des Relais speicherbar ist.

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