DE4244121A1

DE4244121A1 - Schaltungsanordnung mit einem elektromagnetischen Relais

Info

Publication number: DE4244121A1
Application number: DE19924244121
Authority: DE
Inventors: H-Joachim Thiemann; Martin Trinschek
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 1992-12-24
Filing date: 1992-12-24
Publication date: 1994-07-07

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem elektromagnetischen Relais, bei dem die den Laststrom leitenden Relaiskomponenten zumindest teilweise und zumindest um Abschnitte des Umfangs herum der Relaisspule angeordnet sind.

Schaltungsanordnungen mit elektromagnetischen Relais werden insbesondere in Kraftfahrzeugen häufig angewandt. Oftmals sind dabei die Relais zum Schalten von sehr hohen Lastströmen vorgesehen. Um hohe Lastströme zu leiten, werden im allgemeinen Teile des Relaiskörpers, z. B. des Joches als laststromführende Leiterelemente verwendet. Manche Relais sind dabei derart ausgeführt, daß der Laststrom zumindest um Abschnitte des Spulenumfangs der Relaisspule herumgeführt wird. Je nach Anwendung kann der im Lastkreis fließende Strom eine Größenordnung von einigen zehn bis zu einigen hundert Ampere erreichen. Im Vergleich dazu, sei als typische Spulenstromstärke ein Strom von einigen hundert Milliampere bis zu einigen Ampere genannt, die durch die typischerweise einigen hundert Windungen der Relaisspule fließen.

Hierbei ergibt sich nun das Problem, daß der im Lastkreis des Relais fließende Strom im erheblichen Maße das von der Relaisspule erzeugte magnetische Feld beeinflußt. Da die magnetische Wirkung einer Spule wesentlich von der Windungszahl und der die Windungen durchfließenden Stromstärke ("Ampere-Windungszahl") abhängt, kann der um die Spule herumgeführte Laststrom im Spulenkern eine magnetische Wirkung herbeiführen, die in der Größenordnung der vom Spulenstrom hervorgerufenen magnetischen Wirkung liegt.

Fließt dabei der Laststrom in der gleichen Richtung um die Spule herum wie der Spulenstrom, so ergibt sich folgende Schwierigkeit:

Nach dem Anziehen des Relaisankers und dem Schließen der Relaiskontakte erzeugt der Laststrom im Spulenkern ein Magnetfeld, das die gleiche Richtung wie das vom Spulenstrom erzeugte Magnetfeld aufweist und sich zu diesem hinzuaddiert. Der Relaisanker wird somit stärker an den Spulenkern angepreßt. Beim Abschalten des Spulenstromes kann es je nach Größe des Laststromes zu einem verzögerten Abfallen des Relaisankers oder sogar zum "Kleben" des Relaisankers am Spulenkern kommen.

Dieses erweist sich besonders dann als störend, wenn genau definierte Ansteuerzeiten für das Relais vorgesehen sind, insbesondere wenn die Last getaktet bestromt werden soll.

Nachteilig ist es auch, daß ein beim Abschaltvorgang entstehender Funke durch das langsame Öffnen der Relaiskontakte unnötig lange bestehen bleibt und so die Schaltkontakte des Relais besonders belastet.

Als besonders nachteilig erweist sich ein derart verschaltetes Relais, wenn im Lastkreis fehlerbedingt abnormal hohe Stromstärken ("Überströme") oder gar Kurzschlüsse auftreten. Hierbei kann das durch den Laststrom hervorgerufene Magnetfeld so groß werden, daß der Relaisanker auch nach Abschalten des Spulenstromes nicht abfällt und daher die Relaiskontakte geschlossen bleiben. Hierdurch können das Relais oder andere im Lastkreis angeordnete Schaltungsteile zerstört werden. Diese Überlegung gilt auch im Kurzschlußfall für Relais, die im Normalfall keine extrem hohen Stromstärken schalten, deren Lastkreis aber mit einer leistungsfähigen Spannungsquelle, beispielsweise der Starterbatterie eines Kraftfahrzeuges, in Verbindung steht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Schaltungsanordnung für ein elektromagnetisches Relais zu schaffen, die bei einfachem und kostengünstigem Aufbau ein schnelles und sicheres Abschalten des Relais auch bei großen Laststromstärken gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Richtung des Laststromes in den entlang des Umfangs der Relaisspule angeordneten Relaiskomponenten entgegengesetzt zur Stromrichtung des Spulenstromes durch die Relaisspule ist.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird folglich bewußt eine bestimmte Polung bei der Beschaltung der Spulenanschlüsse und der mit den Relaiskontakten verbundenen Anschlüsse des Relais beachtet.

Dieses ist herbei besonders erwähnenswert, da oftmals die Spulen- und Kontaktanschlußstifte derart nebeneinander angeordnet sind, daß eine Verschaltung naheliegt, bei der der Spulenstrom und der Laststrom gleichsinnig verlaufen, was die zuvor beschriebenen Nachteile mit sich bringt.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzeugt der Laststrom im Spulenkern ein Magnetfeld, welches dem vom Spulenstrom erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt verläuft.

Hierdurch kann beim Abschalten des Spulenstromes ein verzögertes Abschalten bzw. Kleben des Ankers am Spulenkern auch bei erhöhten Lastströmen vermieden werden.

Besonders vorteilhaft ist die erfinderische Schaltungsanordnung, wenn im Lastkreis eine Überstrom-Erkennungseinrichtung angeordnet ist, welche bei Überstrom oder Kurzschluß im Lastkreis eine Abschaltung des Spulenstromes bewirkt. Durch die erfinderische Schaltungsanordnung kann ein besonders schnelles Abschalten des Relais im Fehlerfall erreicht werden.

Dieses soll im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 eine besonders einfach aufgebaute erfindungsgemäße Schaltungsanordnung;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer Überstrom-Erkennungseinrichtung.

In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung skizziert.

Das Relais (1) ist dabei senkrecht zur Achse der Relaisspule (2) geschnitten dargestellt. Die Schnittzeichnung soll dabei besonders den Verlauf der beiden Stromkreise (4, 5) durch das Relais (1) verdeutlichen. Dieses sind zum einen der Spulenstromkreis (5), in welchem der Spulenstrom (15) durch die Windungen der Relaisspule (2) fließen. Gesteuert wird dieser Spulenstrom (IS) durch die Spulenansteuerungseinrichtung (10), welche in der Zeichnung durch ein einfaches Schaltersymbol dargestellt ist und die als einfacher Schalter oder aber auch als komplexe elektronische Schaltung ausgeführt sein kann.

Beim angesteuerten Relais (1) fließt ein Laststrom (IL) durch die Last (9) und durch verschiedenen Komponenten (6) des Relais (1). Dabei beträgt der Laststrom (IL) üblicherweise ein vielfaches des Spulenstromes (IS).

In der stark vereinfachten Darstellung des Relais (1) ist die Lage des Relaisankers durch eine unterbrochen umrandete Fläche (8) angedeutet. Ebenso ist die Kontaktanordnung (7) stark vereinfacht dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine Schließer-Kontakt-Anordnung, das heißt die Relaiskontakte (7) sind geschlossen, wenn der der Anker (8) am Spulenkern (3) anliegt.

Bei der gezeigten Relaisanordnung fließt der Laststrom (IL) zumindest in Teilbereichen des Relais (1) in einer Ebene, die parallel zu den Stromflußebenen des Spulenstromes (IS) verläuft, da der Laststrom (IL) durch die stromleitenden Komponenten (6) des Relais (1) um den Umfang der Relaisspule (2) herumgeführt wird.

Hierdurch erzeugt der Laststrom (IL) vergleichbar in einer einzelnen um den Spulenkern (3) herumgeführten Windung im Spulenkern (3) ein Magnetfeld, das zu dem von dem Spulenstrom (IS) herrührenden Magnetfeld im wesentlichen parallel liegt.

Da der Laststrom (IL), wie schon erwähnt, ein vielfaches des Spulenstromes (IS) beträgt, können die sich überlagernden Magnetfelder von vergleichbarer Stärke sein.

Wie sich die Überlagerung auf das Schaltverhalten des Relais auswirkt, hängt dabei wesentlich davon ab, ob sich die Magnetfelder parallel oder antiparallel überlagern.

Bei der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Anordnung bewirken die gegensinnig fließenden Ströme (IS, IL) eine antiparallele Überlagerung der Magnetfelder, daß heißt, das durch den Spulenstrom (IS) erzeugte Magnetfeld wird durch das vom Laststrom (IL) erzeugte Magnetfeld abgeschwächt.

Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß nach Abschalten des Spulenstromes (IS) durch die Spulenansteuerungseinrichtung (10) das Relais (1) den Laststrom (IL) besonders schnell und besonders sicher abschalten kann.

Zu näheren Erläuterung soll im folgenden die funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beschrieben werden:

Zum Schließen des Laststromkreises (4) wird zunächst die Relaisspule (2) von der Spulenansteuerungseinrichtung (10) mit einem Spulenstrom (IS) beaufschlagt, der zum Anziehen des Ankers (8) durch den Spulenkern (3) ausreicht. Hierdurch wird die Kontaktanordnung (7) geschlossen und der Laststrom (IL) eingeschaltet. Sobald der Laststrom (IL) fließt, baut sich im Spulenkern (3) durch den Laststrom (IL) ein zweites Magnetfeld auf, welches entgegengesetzt zu dem durch die Spulenwicklung erzeugten Magnetfeld gerichtet ist und dieses daher schwächt. Der zur Ansteuerung des Relais verwendete Spulenstrom (IS) ist daher so groß zu wählen, daß das so geschwächte Magnetfeld bei normalem Laststrom noch zum Halten des Relaisankers (8) ausreicht.

Diese Bedingung ist dabei leicht zu erfüllen, da zum Halten des Ankers (8) ohnehin eine deutlich geringere Magnetfeldstärke ausreicht als nötig ist, um das Relais (1) zum Anziehen des Ankers (8) zu veranlassen.

Das so abgeschwächte Magnetfeld baut sich nach Abschalten des Spulenstromes (IS) durch die Spulenansteuerungseinrichtung (10) bedeutend schneller ab als bei einer Schaltungsanordnung, bei dem Laststrom (IL) und Spulenstrom (IS) parallel fließen und daher das den Anker (8) haltende Magnetfeld sogar noch verstärken.

Bei einer solchen Schaltungsanordnung mit parallelfließendem Laststrom und Spulenstrom wird das Abschalten des Laststromes (IL) verzögert. Die Dauer der Abfallverzögerung hängt dabei noch vom jeweiligen Laststrom ab, so daß ein schnelles und definiertes Abschalten des Laststromkreises bei einer solchen Anordnung nicht möglich wäre.

Die in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist somit gegenüber einer solchen zuletzt beschriebenen Anordnung bezüglich Abschaltsicherheit und Abschaltgeschwindigkeit überlegen.

Dieses ist beispielsweise dann besonders vorteilhaft, wenn der Last (9) durch getaktete Ansteuerung, daß heißt durch definiertes Aus- und Einschalten, eine bestimmte Leistung zugeführt werden soll, wozu beispielsweise die Spulenansteuerungseinrichtung (10) als taktende Ansteuerungseinrichtung ausgeführt sein kann.

Falls die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zusätzlich eine Absicherung gegen das Auftreten von abnormal hohen Stromstärken im Laststromkreis (4) aufweisen soll, so ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anhand des in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispieles besonders vorteilhaft.

Hierin ist in den Laststromkreis (4) zusätzlich eine Überstrom-Erkennungseinrichtung (11) eingefügt, welche beim Auftreten von abnormal hohen Strömen die Spulenansteuerungseinrichtung (10) zum Abschalten des Spulenstromes (IS) veranlaßt, was, wie bereits erläutert, zum schnellen und sicheren Abschalten des Laststromes (IL) führt.

Da das durch den erhöhten Laststrom (IL) erzeugte Magnetfeld sogar größer ist, als bei einem normal großen Laststrom erfolgt die Abschaltung im Fehlerfall vorteilhafterweise sogar besonders schnell.

Durch die Überstrom-Erkennungseinrichtung (11) wird außerdem verhindert, daß es durch die annähernde Kompensation des durch die Spulenwicklung erzeugten Magnetfeldes durch das vom Laststromkreis erzeugte Magnetfeld zu einem sich wiederholenden Anziehen und Abfallen des Relaisankers kommt.

Auf besonders nachteilige Weise würde sich im Falle von Überströmen im Laststromkreis eine Schaltungsanordnung verhalten, bei denen der Laststrom (IL) und der Spulenstrom (IS) parallel fließen. Hierbei würde bei überhöhten Lastströmen keine Kompensation, sondern sogar eine Verstärkung der durch Laststrom und Spulenstrom erzeugten Magnetfelder auftreten. Ab einem gewissen Laststrom könnte dieser auch nach Abschalten des Spulenstromes nicht mehr unterbrochen werden, da allein das durch den Laststrom (IL) im Spulenkern (3) hervorgerufene Magnetfeld den Anker (8) halten würde.

Eine solche Anordnung könnte allenfalls dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn im Fehlerfall keine schnelle und sichere Abschaltung vorgesehen sein soll, insbesondere dann wenn der Laststromkreis (4) eigene Sicherheitsvorrichtung, beispielsweise in Form von Schmelzsicherungen enthält, die bei Überströmen sicher zum Ansprechen gebracht werden sollen.

Anzumerken ist, daß zur Verdeutlichung des erfinderischen Gedankens, nämlich für den Laststromkreis (4) und den Spulenstromkreis (5) entgegengesetzte Stromrichtungen vorzusehen, in beiden Ausführungsbeispielen sowohl der Laststromkreis (4) als auch der Spulenstromkreis (5) mit einer gemeinsamen Spannungsquelle (12) verbunden sind. Selbstverständlich kann eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung genauso mit getrennten Spannungsquellen für Lastkreis (4) und Spulenstromkreis (5) betrieben werden.

Die hier für die Stromrichtungen getroffenen Überlegungen gelten natürlich analog auch für den Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung durch eine oder mehrere Wechselspannungsquellen.

Bezugszeichenliste

1 Relais (Schnittzeichnung)
2 Relaisspule
3 Spulenkern
4 Laststromkreis
5 Spulenstromkreis
6 Relaiskomponenten (laststromleitende)
7 Kontaktanordnung
8 Relaisanker (angedeutete Lage)
9 Last
10 Spulenansteuerungseinrichtung
11 Überstrom-Erkennungseinrichtung
12 Spannungsquelle
IS Spulenstrom
IL Laststrom

Claims

1. Schaltungsanordnung mit einem elektromagnetischen Relais (1), bei dem die den Laststrom leitenden Relaiskomponenten (6) zumindest teilweise und zumindest um Abschnitte des Umfangs der Relaisspule (2) herum angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Laststromes in den entlang des Umfangs der Relaisspule (2) angeordneten Relaiskomponenten (6) entgegengesetzt zur Stromrichtung des Spulenstromes in der Relaisspule (2) ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag des Laststromes relativ groß verglichen mit dem Betrag des Spulenstromes ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag des Laststromes größenordnungsmäßig das 10²- bis 10³fache des Betrages des Spulenstromes beträgt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Laststromkreis (4) eine Überstrom-Erkennungseinrichtung (11) vorgesehen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeug verwendet wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeug mit einer selbstzündenden Brennkraftmaschine zur Ansteuerung von Glühkerzen verwendet wird.