EP0042997B1

EP0042997B1 - Schaltungsanordnung zum Speisen eines elektromagnetischen Relais

Info

Publication number: EP0042997B1
Application number: EP81104315A
Authority: EP
Inventors: Heinz Ritter
Original assignee: Euro Matsushita Electric Works AG; SDS Elektro GmbH; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: SDS Elektro GmbH; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1980-06-27
Filing date: 1981-06-04
Publication date: 1984-04-11
Also published as: CA1148647A; BR8104074A; DE3024343A1; ZA813973B; AU7200481A; EP0042997A3; EP0042997A2; JPS5743333A; US4369482A; DE3163058D1; AU539916B2; ATE7088T1; DE3024343C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Speisen eines elektromagnetischen Relais nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gegenüber dem Betrieb von Relais mit Gleichspannung ist die Ansteuerung mit Wechselspannung, insbesondere bei den üblichen Versorgungsspannungen von 110 bzw. 220 V, relativ großvolumigen 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 50-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. 150 mW an 220 V Wechselspannung betreiben, so wären Spulenwiderstände erforderlich, die weit oberhalb des technisch Realisierbaren liegen.
Versucht man bei modernen Relais, einen maximalen Spulenwiderstand zu realisieren, so erreicht man mit den dünnsten, noch mit vertretbarem Aufwand zu verarbeitenden Kupferlackdrähten mit ca. 20 kΩ einen Maximalwert. Wollte man nun ein solches Relais an 220 V Wechselspannung betreiben, so würden an der Erregerspule 2,4 Watt elektrischer Energie in Wärme umgesetzt, was eine Temperaturerhöhung des Relais um 140 °C zur Folge hätte. Um diese unzulässige Erwärmung zu vermeiden, ist es bei Verwendung eines ohmschen Widerstandes nur möglich, diesen als separates Bauelement vorzusehen, was abgesehen von den erhöhten Montagekosten zu 1 bis 2 Watt Verlustleistung und damit zu einem höheren Platzbedarf führt, der insbesondere bei Leiterplattenbauweise störend ist.
Aus der deutschen Auslegeschrift Nr. 1 298 626 ist ein mit Wechselspannung ansteuerbares Gleichstromrelais bekannt, dessen Spule über jeweils ein Paar von Dioden in entgegengesetzter Durchlassrichtung derart an jede der beiden Wechselspannungsklemmen angeschlossen ist, daß die Spule unabhängig von der Polarität der Wechselspannung stets in gleicher Richtung durchflutet ist. Ein vorgeschalteter Kondensator dient dazu, den Erregerstrom zu begrenzen. Dieser Kondensator nimmt zwar nur Blindleistung auf und erzeugt daher keine Wärme, er stellt jedoch ein separates Bauelement dar, das wegen seines erheblichen Raumbedarfs in modernen Schaltungen mit hoher Packungsdichte unerwünscht ist.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 2 749 732 ist ferner eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, die jedoch zur Ansteuerung mittels Gleichspannung bestimmt ist, wobei die zwischen den beiden Spulenteilwicklungen vorhandene Kapazität bewirken soll, daß die für das Ansprechen des Relais erforderliche Durchflutung nur kurzzeitig, d. h. nur beim Ein- bzw. Umschalten, erreicht und somit der Stromfluß zeitlich begrenzt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Speisen eines elektromagnetischen Relais mit Wechselspannung zu schaffen, das auch bei höherer Wechselspannung nur wenig Ansteuerenergie benötigt und gleichzeitig geringen Raumbedarf aufweist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. Diese Schaltungsanordnung gewährleistet bei relativ niederohmigen Spulenteilwicklungen einen geringen Bedarf an Steuerleistung, da auch hier der Erregerstrom durch die Kapazität zwischen den Teilwicklungen auf einen relativ kleinen Wert begrenzt ist. Infolge der Niederohmigkeit der Wicklungen und der Strombegrenzung wird wenig Erregerleistung aufgenommen, so daß auch bei geringem Bauvolumen keine nennenswerte Eigenerwärmung des Relais auftritt. Der aus der Kapazität zwischen den Teilwicklungen resultierende Blindwiderstand ist entsprechend der Frequenz der angelegten Wechselspannung seinem Betrag nach wesentlich größer als der ohm'sche Widerstand der Teilwicklungen, so daß der Wikklungswiderstand bei der Ermittlung des benötigten Erregerstroms in erster Näherung vernachlässigbar ist. Hieraus ergibt sich, daß die zur Erregung des Magnetsystems erforderliche Durchflutung, ausgehend von einer vorgegebenen Windungszahl einer Teilwicklung, dadurch erreicht wird, daß die Kapazität zwischen den Teilwicklungen so groß gemacht wird, daß deren Blindwiderstand bei der Frequenz der anliegenden Wechselspannung einen ausreichenden Stromfluß zuläßt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen :

Figur 1 einen Plan, aus dem die Beschaltung der Spulenwicklungen der erfindungsgemäßen Relais ersichtlich ist ;
Figur 2 und Figur 3 Schaltpläne, die die Stromflüsse bei unterschiedlicher Polarität der angelegten Wechselspannung zeigen ; und
Figur 4 die Zusammenschaltung einiger Schaltungselemente zu einem gemeinsamen Bauelement.

In den Figuren 1 bis 3 sind die Spulenteilwikklungen 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 Spulenteilwicklungen 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 Teilwicklungen 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. Ein zwischen die Anschlüsse 5, 6 eingeschaltetes spannungsbegrenzendes Element Z, beispielsweise eine bipolare Zenerdiode, schützt die Wicklungen W1, W2 und die Dioden D1 bis D4 gegen Überspannungen. Figur 4 zeigt die Zusammenschaltung der Zenerdiode Z mit den vier Dioden D1 bis D4 zu einem einheitlichen Bauelement.
Infolge der gewählten Beschaltung der Teilwikklungen 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 Wicklungen W1, W2, während er sich in der dazwischen befindlichen Kapazität C umkehrt. Da es sich bei dieser um keine diskrete Kapazität, sondern um die durch die zweidrähtige Wicklung bedingte Wicklungskapazität handelt, ist diese in den Figuren gestrichelt eingezeichnet.
Bei der in Fig. 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 Teilwicklung W1, über die Kapazität C zur Teilwikklung 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 Anschluß 6 über die erste Diode D3 zum Anfang 3 der Teilwicklung W2, die Kapazität C, die Teilwicklung W1 und die zweite Diode D2 am Wicklungsende 2 zum Minuspol 5 der Wechselspannung U. In diesem Falle sind die Dioden D1 und D4 gesperrt. Während die Teilwicklungen W1 und W2 stets in gleicher Richtung durchflossen werden, fließt über die Wicklungskapazität ein Wechselstrom. Um für das Relais die gewünschte Ansprechspannung U zu erzielen, sind die Spulenkapazität C und die Windungszahl w einer jeden Spulenteilwicklung W1, W2 gemäß der folgenden Formel gewählt :
worin

0 die zum Ansprechen des Relais erforderliche Durchflutung,
w die Kreisfrequenz der angelegten Wechselspannung U, und
R der ohm'sche Widerstand einer Spulenteilwicklung bedeuten.

Die jeweils notwendige Durchflutung ist dabei für das jeweilige Magnetsystem bekannt. In der angegebenen Näherungsformel ist der ohm'sche Wicklungswiderstand vernachlässigbar, wenn er im Betrag wesentlich unter dem aus der Wikklungskapazität resultierenden Blindwiderstand liegt. Die Kapazitätswerte für nebeneinander geführte Wicklungsdrähte sind ebenfalls bekannt, so daß sich die Wicklungskapazität in guter Näherung berechnen läßt.
Beispielsweise erhält man bei einem modernen Kleinrelais bei einer Windungszahl von 10000 Windungen eine Wicklungskapazität von 30 nF. Hierbei ergibt sich bei einer Dauererregung des Relais mit 220 V Wechselspannung eine Eigenerwärmung von etwa 10 °C, so daß dieses Relais ebenso wie moderne gepolte Gleichspannungsrelais problemlos einsetzbar ist.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Speisen eines elektromagnetischen Relais, das zwei durch ein Dielektrikum voneinander getrennte, zwischen sich eine bestimmte Kapazität bildende Spulenteilwicklungen (W1, W2) aufweist, bei dem jede Spulenteilwicklung spannungsabfallfrei nur mit jeweils einem Pol (5, 6) der Erregerstromquelle in Verbindung steht und bei dem die Windungszahlen der Spulenteilwicklungen (W1, W2) und die durch die Ausbildung und Anordnung der Spulenteilwicklungen bedingte Kapazität derart bemessen sind, daß der in den beiden Spulenteilwicklungen über die Kapazität fließende Strom zur Betätigung des Relais ausreicht, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulenteilwicklungen (W1, W2) derart ausgelegt und angeordnet sind, daß sie zur Dauererregung des Relais mit Wechselstrom geeignet sind, daß jede Spulenteilwicklung (W1, W2) durch zwei hintereinander geschaltete Gleichrichterelemente (D1, D2 bzw. D3, D4) überbrückt ist und daß die Verbindung der Spulenteilwicklungen (W1, W2) mit dem zugehörigen Pol (5, 6) der Erregerstromquelle jeweils über den Verbindungspunkt zwischen den zwei Gleichrichterelementen (D1, D2 bzw. D3, D4) erfolgt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulenteilwicklungen (W1, W2) gemeinsam gewickelt sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Pole (5, 6) der Erregerstromquelle ein Überspannungs-Schutzelement (Z) eingeschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Überspannungs-Schutzelement aus einer bipolaren Zenerdiode (Z) besteht.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Überspannungs-Schutzelement (Z) mit den vier Gleichrichterelementen (D1 ... D4) zu einer Baueinheit zusammengeschaltet ist.