EP0897585B1

EP0897585B1 - Hybridrelais

Info

Publication number: EP0897585B1
Application number: EP97923744A
Authority: EP
Inventors: Josef Kern; Bican Samray
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-05-07
Filing date: 1997-04-22
Publication date: 1999-10-06
Anticipated expiration: 2017-04-22
Also published as: KR20000010803A; US6078491A; JP2000509547A; DE59700541D1; EP0897585A1; WO1997042642A1; CN1217813A; ATE185449T1; BR9708931A

Description

Die Erfindung betrifft ein Hybridrelais mit

einem elektromagnetischen Relaissystem, das mindestens eine Spule, eine die Spule durchsetzende Kernjoch-Einheit, mindestens einen Anker sowie mindestens ein von dem Anker geschaltetes Kontaktpaar umfaßt und
einem Leistungshalbleiter, dessen Schaltstrecke gemeinsam mit dem mindestens einen Kontaktpaar den Lastkreis des Relais schaltet und dessen Schaltzeitpunkt gegenüber dem des elektromagnetischen Relaissystems derart zeitlich versetzt steuerbar ist, daß das Kontaktpaar jeweils lastfrei geschaltet wird.

Beim Schalten von Relaiskontakten unter Last werden diese vor allem durch den entstehenden Schaltlichtbogen stark beansprucht, und die dabei erzeugte hohe Erwärmung kann zum Verschweißen der Kontakte, zumindest aber zu einer unerwünschten Materialwanderung, zum Abbrand und damit zur Verminderung der Lebensdauer führen. Um diese Effekte zu vermeiden, werden sog. Hybridrelais verwendet, die in der eingangs angegebenen Weise zusätzlich zu den mechanischen Relaiskontakten einen elektronischen Schalter verwenden, wobei letzterer zeitlich versetzt betätigt wird und so die Belastungsspitze beim Ein- und Ausschalten übernimmt; die Relaiskontakte werden dabei "trocken" geschaltet und können dadurch mit weniger Aufwand eine höhere Lebensdauer erreichen. Derartige Hybridschaltungen sind beispielsweise aus der DE 37 01 838 A1 oder der US 47 72 809 bekannt. Je nach den Umständen werden in diesen Schaltungen Relaiskontakte parallel oder in Serie zum Leistungshalbleiter geschaltet. Im ersteren Fall wird zunächst der Leistungshalbleiter durchgesteuert und danach der Relaiskontakt geschlossen, so daß die Last im Dauerbetrieb über den Relaiskontakt fließt, während der Halbleiter dann nur noch einen geringeren Stromanteil führen muß oder ganz abgeschaltet werden kann. Beim Abschalten gilt die umgekehrte Reihenfolge. Im zweiten Fall, d.h. bei der Serienschaltung, wird zunächst der Relaiskontakt geschlossen und dann der Leistungshalbleiter durchgesteuert bzw. beim Abschalten der Leistungshalbleiter zuerst abgeschaltet, bevor die stromlos gewordenen Kontakte geöffnet werden. In diesem zweiten Fall fließt der Laststrom auch dauernd über den Leistungshalbleiter, so daß dieser auch einen beträchtlichen Wärmeverlust bewältigen muß. Diese Serienschaltung hat beispielsweise dann Bedeutung, wenn an einem Doppelrelais oder Umpolrelais zwei Stromkreise genau gleichzeitig geschlossen oder geöffnet werden müssen.

Bei den herkömmlichen Hybridrelais bzw. Hybridschaltungen werden herkömmlich aufgebaute elektromagnetische Systeme und Standard-Halbleiter in üblicher Schaltungstechnik verbunden. Das bedeutet in der Regel die Anordnung der beiden Systeme auf einer gemeinsamen Leiterplatte mit entsprechendem Platzbedarf. In diesem Fall muß die Verlustwärme des Halbleiters auch auf herkömmliche Weise über Kühlkörper abgeführt werden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hybridrelais der eingangs genannten Art zu schaffen, das kompakt aufgebaut ist und mit möglichst wenig Einzelteilen auch eine gute und einfache Wärmeableitung für den Leistungshalbleiter ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel bei einem Hybridrelais der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß der Leistungshalbleiter in thermischem Kontakt mit der Kernjoch-Einheit des elektromagnetischen Relaissystems steht.

Zwar ist verschiedentlich bereits vorgeschlagen worden, im Gehäuse eines elektromagnetischen Relais auch einen Halbleiter bzw. eine Halbleiterschaltung unterzubringen (EP 0484 587 B1), doch geschah dies bisher immer unabhängig vom Magnetsystem und ohne schaltungsmäßige Verknüpfung mit den Kontakten. Bei dem erfindungsgemäßen Relais dagegen ist der Leistungshalbleiter direkt auf dem Kernjoch des elektromagnetischen Relais befestigt, welches durch seinen relativ großen Querschnitt die im Transistor entstehende Wärme rasch ableitet, nämlich zum Teil über die eigene große Oberfläche und zum Teil über die Spulenwicklung. Dabei stellt der Magnetkreis des Relais zusätzlich die Funktion eines Bauelementträgers zumindest für den Leistungshalbleiter dar; er kann aber in weiterer Ausgestaltung zusätzlich auch applikationsspezifische integrierte Schaltungsbausteine tragen. Dadurch wird einerseits die Baugröße und das Volumen des Hybridrelais verringert, und es können Halbleiter ohne eigenes Gehäuse verwendet werden, da sie in dem Relaisgehäuse gegen Umwelteinflüsse geschützt werden können.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Relais als Umpolrelais ausgebildet, bei dem das Kernjoch durch ein im wesentlichen ebenes Blech E-förmig ausgebildet ist, wobei zwischen zwei Seitenschenkeln und einem Mittelschenkel als drei Jochen zwei Mittelstege als Kerne jeweils eine Spule tragen und bei dem zwei Anker jeweils einen der Seitenschenkel und den Mittelschenkel unter Bildung von Arbeitsluftspalten überbrücken, wobei der Leistungshalbleiter auf dem Mittelschenkel angeordnet ist. Da bei dem Hybridrelais die Kontakte lastlos geschaltet werden und somit keinem Abbrand ausgesetzt sind, braucht bei der Konstruktion auch kein Überhub berücksichtigt zu werden. Deshalb können die Magnetkreisteile zugleich den Kontaktstrom führen, also beispielsweise die Polflächen als Kontaktflächen ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau mit wenig Einzelteilen. Wegen des fehlenden Überhubs entspricht also der Ankerhub dem Kontakthub, und durch diese kleineren Arbeitsluftspalte des Magnetsystems können entweder bei gleicher Wicklung größere Kontaktkräfte mit kleineren Übergangswiderständen im Lastbereich erzeugt werden oder es kann zur Erzeugung gleicher Kontaktkräfte wie bei herkömmlichen Systemen eine hochohmigere Wicklung mit einer entsprechend geringeren Erwärmung der Spule verwendet werden.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen abgegeben.

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

Figur 1 ein erfindungsgemäß gestaltetes Umpolrelais mit offenem Gehäuse in perspektivischer Darstellung,

Figur 2 den Magnet- und Lastkreis des Relais von Figur 1 mit aufgesetztem Leistungshalbleiter, jedoch ohne Spulen und Isolierung gezeichnet,

Figur 3 den Magnet- und Kontaktkreis von Figur 2 in einer Ansicht von der Rückseite,

Figur 4 den Magnet- und Lastkreis des Relais von Figur 1 mit einer einstückigen Kunststoffumspritzung, die einen Spulenkörper bildet und alle Anschlüsse fixiert,

Figur 5 den Relaisaufbau von Figur 4 mit zusätzlich aufgebrachten Wicklungen in einer etwas anderen perspektivischen Ansicht,

Figur 6 den Relaisaufbau von Figur 5 in einer perspektivischen, mittig geschnittenen Ansicht,

Figur 7 den Relaisaufbau von Figur 5 von der Rückseite gesehen,

Figur 8 ein Blockschaltbild für ein Hybridrelais gemäß Figur 1,

Figur 9 ein Hybridrelais mit einem einzigen Elektromagnetsystem in einer Figur 1 entsprechenden Darstellung,

Figur 10 ein Hybridrelais in einer Ausführung ähnlich Figur 1, jedoch mit einem den Leistungshalbleiter und eine Steuerschaltung enthaltenden integrierten Schaltkreis,

Figur 11 eine rückseitige Ansicht des Relais von Figur 10,

Figur 12 ein Umpolrelais ähnlich Figur 10, jedoch mit gehäusten Standardbausteinen für den Leistungshalbleiter und die Steuerschaltung,

Figur 13 eine Ansicht der Rückseite des Relais von Figur 12,

Figur 14 ein Hybrid-Umpolrelais mit einem andersartigen Aufbau und mit einem seitlich aufgebrachten Leistungshalbleiter,

Figur 15 eine Seitenansicht des Relais von Figur 14,

Figur 16 und 17 zwei Weiterbildungen des Umpolrelais von Figur 15 in Kombination mit einer die Steuerschaltung tragenden Leiterplatte.

Das in den Figuren 1 bis 7 dargestellte Relais besitzt als Träger einen Magnetkreis (Figur 2) mit einem planen E-förmigen Kernjoch 1, welches symmetrisch zwei Seitenschenkel 11 und einen Mittelschenkel 12 aufweist, die einstückig über zwei Kernstege 13 verbunden sind. Jeder der Kernstege 13 trägt eine Wicklung 65.

Zwei flache Anker 2 sind zueinander fluchtend und symmetrisch parallel zum Kernjoch 1 angeordnet, und sie überbrücken jeweils ein freies Ende eines Seitenschenkels 11 sowie einen Teil des Mittelschenkels 12 unter Bildung von Arbeitsluftspalten 21 und 22. Jeder der Anker 2 ist über eine Ankerrückstellfeder 23 an einem Trägerblech 24 befestigt, welches einen Anschlußstift 25 bildet. Im Ruhezustand liegen die beiden Anker 2 aufgrund der Rückstellwirkung der Rückstellfedern 23 gemeinsam an einem Öffnerkontaktblech 3 an, welches parallel zum Mittelschenkel 12 des Kernjoches diesem gegenüberliegend angeordnet ist und einen Anschlußstift 31 bildet. Im Bereich neben dem Öffnerkontaktblech ist außerdem ein Masseanschlußblech 4 mit einem Anschlußstift 41 vorgesehen.

Der Mittelschenkel 12 des Kernjoches 1 ist so breit ausgeführt, daß er einerseits die Polflächen für die beiden Arbeitsluftspalte 22 gegenüber den Ankern 2 bildet und andererseits eine großflächige Auflage für einen Leistungstransistor 5 mit guter Wärmeübertragung bietet. Dieser Leistungstransistor 5 ist mit seinen drei Anschlüssen mit einer aus dem Kernjoch herausgeprägten Anschlußnase 14, mit einem Anschlußlappen 32 des Öffnerkontaktbleches 3 sowie mit einem Anschlußlappen 42 des Masseanschlußbleches 4 verbunden. Die beiden Anschlußlappen 32 und 42 sind durch Durchbrüche 15 und 16 des Kernjoches auf die Seite des Leistungstransistors 5 geführt.

Das Kernjoch 1 ist mit thermoplastischem Kunststoff zur Bildung eines Spulenkörpers 6 umspritzt, der beiderseitig des Mittelschenkels 12 jeweils ein Spulenrohr 61 zur Aufnahme je einer Wicklung 7 bildet. Die Wicklungen werden beiderseits von Flanschen 62 begrenzt. Im Bereich der Seitenschenkel 11 des Kernjochs ist an dem Spulenkörper 6 jeweils ein Fortsatz 63 mit einem Steckschacht 64 zur Aufnahme der Trägerbleche 24 für die Ankerrückstellfedern 23 angeformt. Diese Trägerbleche könnten aber auch mit dem Material des Spulenkörpers umspritzt, also in den Spulenkörper 6 eingebettet werden. Die Ankerrückstellfedern 23 sind auf den Trägerblechen 24 durch eine Schweiß- oder Nietverbindung befestigt.

Die Oberflächen der Magnetkreisteile, also des Kernjochs 1 und der beiden Anker 2, sind jeweils zumindest im Bereich der Luftspalte 21 und 22 zwischen Anker und Jochschenkeln mit einer Edelmetallschicht überzogen und dienen gleichzeitig zur Stromführung des Lastkreises in der Schließerfunktion des Relais. Die Öffnerfunktion der beiden elektromagnetischen Wechsler-Relaissysteme wird durch das bereits erwähnte Öffnerkontaktblech 3, welches mindestens im Berührungsbereich mit den beiden Ankern 2 edelmetallbeschichtet ist, erfüllt. Die erforderliche Kontaktkraft wird jeweils von der Ankerrückstellfeder 23 aufgebracht. Vorzugsweise sind die beiden beweglichen Anker 2 zur niederohmigen Kontaktgabe und Stromführung vollflächig mit einer, zum Beispiel galvanischen, Silberschicht überzogen. Diese Schicht kann wirtschaftlich sehr dünn ausgeführt werden, da das elektromagnetische Relaissystem nur den Laststrom führen, jedoch nicht schalten muß. Durch die beiden Luftspalte 21 und 22 eines jeden Ankers 2 zu dem Kernjoch 1 ergibt sich beim Schließen des Magnetkreises eine Doppelkontaktierung des lastlos schaltenden Lastkreises, die die Kontaktsicherheit wesentlich erhöht. Außerdem wird im dargestellten Beispiel durch je zwei Prägewarzen 33 auch auf dem Öffnerkontaktblech 3 (siehe Figur 3) erreicht, daß der Anker durch die Torsion der Ankerfeder 23 jeweils an zwei Stellen kontaktiert wird. Durch die Zusammenlegung des Magnetkreises und des elektrischen Lastkreises wird für dieses Umpolrelais nur eine geringe Anzahl von einfachen und deshalb kostengünstigen Teilen benötigt.

Durch das lastlose Umschalten der beiden Anker 2 entfällt der sonst übliche Abbrand der Kontakte, welcher als Überhub bzw. Abbrandsicherheit für den Ankerhub eines Relais vorgehalten werden muß. Bei der erfindungsgemäßen Relaisausführung entspricht jedoch der Ankerhub in den Luftspalten 21 und 22 gleichzeitig dem Abstand zwischen den kontaktgebenden Flächen (Kontaktabstand). Da nicht mit einer Materialwanderung aufgrund von Lichtbögen gerechnet werden muß, ist kein Vorhalteabstand, der sonst zusätzlich zum Abstand der erforderlichen Spannungsfestigkeit zwischen den Kontakten vorgesehen werden müßte, notwendig. Somit hat das Magnetsystem kleinere Arbeitsluftspalte als sonst erforderlich; dadurch können bei gleicher Auslegung des Magnetsystems größere Kontaktkräfte und somit kleinere Übergangswiderstände im Lastbereich erzielt werden. Hält man andererseits die Kontaktkräfte gleich, so kann gegenüber herkömmlichen Magnetsystemen eine hochohmigere Wicklung vorgesehen werden, durch die eine geringere Erwärmung der Spule erreicht wird.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel des Relais ist der gehäuselose Leistungstransistor 5 direkt auf dem Mittelteil bzw. dem Mittelschenkel des Kernjoches 1 durch eine Lötverbindung befestigt und somit direkt mit den Schließer-Gegenkontakten des Umpolrelais verbunden, da der Drain-Anschluß des MOSFET-Leistungstransistors mit der metallischen Lötfläche und die Schließer-Gegenkontakte- die durch das Kernjoch gebildet sind - bei der gemäß Figur 8 vorgesehenen Schaltungsanordnung gemeinsame Polarität in der Umpolschaltung besitzen.

Wenn die Steuerelektronik, wie hier bevorzugt angenommen, ebenfalls in dem Relais angeordnet ist, benötigt diese Verbindung keinen Anschluß nach außen, sondern nur eine Verbindungsleitung zu der Steuerelektronik, die beispielsweise über Bonddrähte 70 von der bereits erwähnten Anschlußnase 14 vorgenommen werden kann. Die Steuerelektronik liegt im vorliegenden Beispiel als gehäuseloser Steuer-IC (beispielsweise ein ASIC) unterhalb des Leistungstransistors 5 und etwa in Höhe der Kontaktebene der Anker auf dem Mittelschenkel 12. Das Kernjoch 1 ist somit Träger des Leistungstransistors 5 und der Steuerelektronik in dem IC 8, wodurch ein zusätzlicher Bauelementeträger, etwa eine Leiterplatine oder ein Keramikträger, nicht erforderlich ist.
Die internen Verbindungen im Relais zwischen dem Leistungstransistor 5, dem Steuer-IC 8 und den nach außen gehenden Steueranschlüssen 71 bis 74 werden beispielsweise über Bonddrähte 70 realisiert. Die Steueranschlüsse 71 bis 74 sind in Form eines Stanzgitters in das Thermoplastmaterial des Spulenkörpers 6 mit eingespritzt. Außerdem sind in den innenliegenden Spulenflanschen 62 zwei Spulenanschlüsse 66 für die beiden Wicklungen 65 eingebettet. Sie werden nach dem Aufbringen der Wicklungen 65 und nach dem Verlöten der Wicklungsenden 67 in dem Wicklungsbereich umgebogen. Die beiden Spulenanschlüsse 66 nehmen jeweils ein Wicklungsende von jeder Spule 65 auf (Figur 5), die beiden anderen Wicklungsenden 68 (Figur 7) werden auf einen gemeinsamen Anwickelpunkt 34, der aus dem Blech des gemeinsamen Öffnerkontaktblechs 3 gestanzt ist, gewickelt und zum Beispiel durch Löten verbunden.

An dem den Spulenkörper 6 bildenden thermoplastischen Spritzgießteil ist weiterhin ein Kragen 60 im Bereich des Mittelschenkels 12 angeformt, der einen wannenförmigen Hohlraum 69 um den Leistungstransistor 5 sowie den Steuer-IC 8 bildet. Diese wannenförmige Hohlraum 69 wird nach dem Bonden der Verbindungsdrähte zwischen dem Transistor 5, dem Steuer-IC 8 und den Steueranschlüssen 71 bis 73 mit einer dauerelastischen Vergußmasse (nicht dargestellt) zum Schutz der Bonddrähte und der Halbleiter ausgegossen.

Zur Stabilisierung der Relaisanschlüsse 25, 31, 41 sowie 71 bis 74 dienen eine thermoplastische Sockelplatte 91 und eine, beispielsweise thermoplastisch gespritzte, Kappe 92. Diese beiden Teile werden nach der Montage durch eine Vergußmasse abgedichtet. Zur Oberflächenvergrößerung und somit zur besseren Wärmeableitung kann diese Kappe 92 auch mit Kühlrippen versehen und/oder aus einem metallgefüllten Kunststoff (z.B. Al₂O₃ für eine höhere Wärmeleitfähigkeit spritzgegossen sein. Auch der Spulenkörper könnte aus diesem Al₂O₃ bestehen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Kappe 92 aus einem metallischen, nichtmagnetischen Werkstoff zu fertigen, beispielsweise durch Tiefziehen.

In Figur 8 ist eine mögliche Steuerschaltung für das Relais gemäß den Figuren 1 bis 7 gezeigt. Dabei sind für die Relaisteile, soweit sie übereinstimmen, die gleichen Bezugszeichen wie in der Konstruktionsdarstellung verwendet. Für den Steuer-IC 8 als ASIC ist ein vereinfachtes Blockschaltbild verwendet, das die wesentlichen Funktionen für die Zeitschaltung zwischen dem Leistungshalbleiter 5 und dem Relaissystem mit den Spulen 65 und den Ankerkontakten 2 zeigt. So enthält der Steuer-IC 8 eine Logikschaltung 81, die ihren Takt von einem Oszillator 82 erhält und wahlweise über eine Treiberschaltung 83 eine der Spulen 65 an Spannung legt. Über einen Komparator 84 und ein NOR-Glied 85 wird der Leistungshalbleiter 5 angesteuert. Durch entsprechende Erregung der einen oder anderen Spule 65 wird so ein Motor M wahlweise mit unterschiedlichen Polaritäten zwischen eine am Anschluß 31 liegende Spannung und die am Anschluß 41 liegende Masse geschaltet. Über die Logikschaltung 81 wird dabei sichergestellt, daß jeweils zunächst der betreffende Anker 2 umgeschaltet wird, bevor über den Leistungstransistor 5 der Stromkreis geschlossen wird. Die Kontakte werden also trokken, d.h. stromlos, geschaltet, so daß kein Lichtbogen entsteht. Die Stromversorgung für den ASIC erfolgt über die Anschlüsse der Spulen 65.

Für den Fachmann ist es klar, daß die Steuerschaltung auch anders aufgebaut werden kann als in Figur 8 dargestellt. In diesem Zusammenhang sei noch erwähnt, daß auch die Zahl der Anschlüsse je nach Schaltung unterschiedlich ausfallen kann. Beispielsweise gehen bei dem in Figur 8 dargestellten Steuer-IC 8 nur drei Steueranschlüsse von den ASIC-Pins 1,2 und 3 über die Steueranschlüsse 71,72 und 73 zusammen mit dem Pin 4 über den Masseanschluß 41 nach außen, während in der Konstruktionsdarstellung gemäß den Figuren 1 bis 7 vier Steueranschlüsse 71 bis 74 gezeigt sind. In diesem Fall bliebe also der Anschluß 74 unbeschaltet. Bei einer anderen Auslegung der Steuerschaltung können vier oder auch mehr Steueranschlüsse nach außen geführt werden. In gleicher Weise ist es aber auch möglich, einen Teil der Steuerfunktionen oder die gesamte Ansteuerschaltung aus dem Relais nach außen in einen Sockel oder auf eine getrennte Leiterplatte zu verlegen. Der erfindungsgemäße Vorteil bliebe aber auch in diesem Fall für die Anordnung des Leistungshalbleiters auf dem Kernjoch erhalten, nämlich die einfache und wirksame Kühlung des Leistungshalbleiters und der kompakte Aufbau des Hybrid-Lastkreises.

In Figur 9 ist ein Hybridrelais in einer Figur 1 vergleichbaren Darstellung gezeigt, welches sich von dem dortigen Hybridrelais im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß nur ein Elektromagnetsystem mit einem Wechslerkontakt vorgesehen ist. Demnach ist ein Kernjoch 101 als planes, U-förmiges Teil mit zwei Seitenschenkeln 111 und 112 vorgesehen und auf dessen nicht sichtbarem Mittelsteg eine Wicklung 165 sitzt. Ein einziger Anker 102 ist über eine Ankerrückstellfeder 123 an einem Trägerblech 124 befestigt, welches in einem Fortsatz 163 eines Spulenkörpers 106 verankert ist und einen Anschlußstift 125 bildet. Ein Öffnerkontaktblech 103 ist mit einem Anschlußstift 131 versehen. Außerdem ist auf dem breiten Seitenschenkel 112 des Kernjoches ein Leistungstransistor 105 zusammen mit einem Steuer-IC 108 angeordnet. Der Leistungstransistor kann in diesem Fall beispielsweise parallel zum Lastkreis des Relais geschaltet werden, wobei der Transistor vor dem Umschalten des Ankers den Strom kurzzeitig schaltet und der niederohmige Lastkreis der Relaiskontakte nach dem Abschalten des Transistors den Strom nur führt. Somit kann auch in diesem Fall der Magnetkreis zugleich als Kontaktkreis - mit entsprechender Kontaktbeschichtung der Polflächen - verwendet werden. Bei einer derartigen Parallelschaltung ist die Erwärmung des Bauteiles wesentlich geringer als bei einem Leistungstransistor, der den Dauerstrom allein führen müßte. Analog zu Figur 1 besitzt auch das Relais gemäß Figur 9 ein Gehäuse, bestehend aus einer Sockelplatte 191 und einer Kappe 192.

In den Figuren 10 und 11 ist wiederum ein Umpolrelais in Vorder- und Rückansicht gezeigt, bei dem das mechanische Relaissystem im wesentlichen genau so aufgebaut ist wie in den Figuren 1 bis 7. Es soll deshalb auch nicht mehr im einzelnen beschrieben werden. Im Unterschied zu dem vorherigen Beispiel ist hier ein integrierter Schaltkreis 205 auf dem Mittelschenkel 12 des Kernjoches 1 angeordnet, der sowohl die Funktion des Leistungstransistors als auch die Steuerschaltung enthält. Dieser integrierte Schaltkreis 205 ist über Bonddrähte 270 mit Anschlußfahnen 271 bis 274 verbunden, welche im Spulenkörper 6 eingebettet sind. Weitere Bonddrähte bilden Verbindungen zu den Spulenanschlußstiften 67, zu den Anschlußlappen 32 und 42 und zu der Anschlußnase 14. Diese integrierte Steuerschaltung 205 wird in dem wannenförmigen Hohlraum 69 in gleicher Weise vergossen wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel. Auch in diesem Fall wäre ein Relais mit einem Einzel-Magnetsystem analog zu Figur 9 realisierbar.

In den Figuren 12 und 13 ist ein Relais in Vorder- und Rückansicht gezeigt, bei dem der mechanische Grundaufbau wiederum im wesentlichen der gleiche ist wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 bis 7. In diesem Fall sind im Unterschied zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel gehäuste Standardbausteine verwendet. Ein Leistungstransistor 305 ist auf der Vorderseite angeordnet und auf dem Mittelschenkel 12 des Kernjochs großflächig durch Lötung bzw. Schweißung befestigt. Die Anschlüsse 371 und 372 dieses Standardtransistors werden durch eine Sockelplatte 391 direkt aus dem Relais geführt, während der Gate-Anschluß 373 innerhalb des Relais mit einer Steuerschaltung verbunden ist.

Auf der dem Leistungstransistor 305 gegenüberliegenden Seite ist in einen Spulenkörper 306, in den das Kernjoch 1 eingespritzt ist, ein Stanzgitter 307 eingebettet, dessen nach unten aus dem Spritzgießteil herausragende Enden Steueranschlüsse 374 des Relais bilden. Jede Leiterbahn des Stanzgitters bildet am gegenüberliegenden Ende eine freiliegende, nicht umspritzte Kontaktfläche 375; auf diese, in einer Ebene liegenden Kontaktflächen 375 wird ein Steuer-IC (ASIC) 308 mit SMT-Anschlußfahnen 381 gelötet.

Diese Ausführungsform, die für kleinere bis mittlere Stückzahlen besonders kostengünstig ist, verzichtet wegen der Standardbauteile auf einige relaisinterne Schaltungsverbindungen, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen waren, doch können diese Schaltungsverbindungen extern auf einer Leiterplatte einfach überbrückt werden. Auch für diese Ausführungsform mit gehäusten Standardbauteilen kann analog zu Figur 9 ein Einzelrelais, also mit nur einem Magnetsystem und einem Wechslerkontakt, konstruiert werden. Die erfindungsgemäße Unterbringung eines Leistungstransistors auf dem gut wärmeleitenden Kernjoch des Magnetkreises kann auch bei anderen Relaiskonstruktionen verwirklicht werden.

Figur 14 zeigt ein Doppelrelais, bei dem auf einem flachen Sockel 400 zwei Elektromagnetsysteme mit jeweils einem abgewinkelten Joch 401 angeordnet sind; von den beiden Jochen sind nur die miteinander fluchtenden Außenschenkel 411 zu sehen. Die in einem Spulenkörper-Mittelflansch 406 angeordneten zweiten Jochschenkel liegen parallel aneinander und sind mit jeweils einem ebenfalls nicht sichtbaren Kern gekoppelt, über dem jeweils eine Spule 465 sitzt. An den freien Enden der Jochschenkel 411 ist jeweils ein Anker 402 gelagert, der eine an ihm befestigte Kontaktfeder 403 betätigt. Die freien Enden der Kontaktfedern 403 sind zwischen je zwei Gegenkontaktelementen 404 umschaltbar. Die Funktion dieses bereits früher angemeldeten Relaisaufbaus ergibt sich für den Fachmann ohne weiteres, so daß hierzu keine weitere Beschreibung erforderlich ist. Die beiden Kontaktsysteme können getrennt voneinander als Einzelsysteme oder als Umschaltrelais mit extern verbundenen Kontaktanschlüssen verwendet werden.

Dieses Doppelrelais kann in erfindungsgemäßer Weise zu einem Hybridrelais erweitert werden, indem ein gehäuster Leistungstransistor 405 auf die miteinander fluchtenden Außenseiten der beiden Jochschenkel 411 elektrisch isolierend, aber gut wärmeleitend aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt, wird. Zu diesem Zweck wird lediglich das Gehäuse an einer Seite verlängert; somit wird das bestehende Doppel-Relaissystem auf einer verlängerten Sockelplatte 491 aufgesetzt und mit einer ebenfalls vergrößerten Kappe 492 umgeben (Fig. 15). Diese Anordnung ist in Figur 15 in einer Seitenansicht mit aufgeschnittener Kappe gezeigt. Die drei Anschlußfahnen 451,452 und 453 des Transistors werden direkt durch die Sockelplatte 491 herausgeführt. Somit werden die Verbindungen zwischen den Relaiskontakten und der Schaltstrecke des Leistungstransistors 405 ebenso wie die Ansteuerung der Relaisspulen und des Transistors extern auf einer Leiterplatte durchgeführt. Der Vorteil der Kühlung des Leistungstransistors über den Magnetkreis des Relais wird aber auch hier genutzt.

In Figur 16 ist nochmals ein Aufbau wie in den Figuren 14 und 15 gezeigt, bei dem zusätzlich eine Steuerschaltung in Form eines ASIC 408 in die Konstruktion einbezogen ist. Hierbei wird das mit dem Leistungstransistor 405 versehene Doppelrelais auf eine kleine Leiterplatte 410 gelötet, welche die nur als Block gezeigte Steuerschaltung 408 trägt. Die kleine Leiterplatte 410 trägt auch die nach unten herausgeführten Anschlußstifte 409 des gesamten Hybridrelais. Zur Stabilisierung der Lage der Anschlußstifte und zum Schutz der Bauteile der ASIC-Steuerung wird eine thermoplastisch gespritzte, wannenförmige Kunststoffkappe 493 von unten auf die Sockelplatte 491 aufgerastet.

Figur 17 zeigt noch eine gegenüber Figur 16 leicht abgewandelte Ausführungsform eines Doppel-Hybridrelais. Hierbei wird das in den Figuren 14 bis 16 bereits gezeigte Doppel-Relaissystem ohne Kappe mit dem Leistungstransistor 405 bestückt und auf die mit der Steuerungselektronik 408 bestückte Leiterplatte 410 gelötet. Eine über das Doppelrelais mit Transistor und die - beispielsweise mit SMT-Verbindungstechnik bestückte - kleine Leiterplatte 410 reichende Kappe 494 wird anschließend bis zum Kappenrand 495 mit Vergußmasse 496 vergossen. Hierbei wird das Relais abgedichtet, die SMT-Bauteile werden geschützt vergossen, und die Anschlußstifte 409 der Leiterplatte werden bis auf die später notwendige Länge lagestabil vergossen.

Claims

Hybridrelais mit

einem elektromagnetischen Relaissystem, das mindestens eine Spule (65;165;465), eine die Spule durchsetzende Kernjoch-Einheit (1;101;401), mindestens einen Anker (2;102;402) sowie mindestens ein von dem Anker geschaltetes Kontaktpaar (2,11,12,3;102,111,112,103;403,404) umfaßt und

einem Leistungshalbleiter (5;105;205;305;405), dessen Schaltstrecke gemeinsamen mit dem mindestens einem Kontaktpaar den Lastkreis des Relais schaltet und dessen Schaltzeitpunkt gegenüber dem des elektromagnetischen Relaissystems derart zeitlich versetzt steuerbar ist, daß das Kontaktpaar jeweils lastfrei geschaltet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungshalbleiter (5;105;205;305;405) in thermischem Kontakt mit der Kernjoch-Einheit (1;101;401) des elektromagnetischen Relaissystems steht.
Hybridrelais nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kernjoch (101) U-förmig durch ein im wesentlichen ebenes Blech mit zwei Seitenschenkeln (111,112) und einem Mittelsteg (113) gebildet ist, daß der Mittelsteg als Kern eine Spule (165) trägt und die Seitenschenkel (111,112) jeweils als Joche durch einen Anker (102) unter Bildung von Arbeitsluftspalten überbrückt werden und daß der Leistungshalbleiter (105) auf einem der Joche angeordnet ist.
Hybridrelais nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kernjoch (1) durch ein im wesentlichen ebenes Blech E-förmig ausgebildet ist, wobei zwischen zwei Seitenschenkeln (11) und einem Mittelschenkel (12) als Jochen zwei Kernstege (13) jeweils eine Spule (65) tragen, daß zwei Anker (2) jeweils einen der Seitenschenkel (11) und den Mittelschenkel (12) unter Bildung von Arbeitsluftspalten (21,22) überbrücken und daß der Leistungshalbleiter (5) auf dem Mittelschenkel (12) angeordnet ist.
Hybridrelais nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Anker (2;102) einerseits und das Kernjoch (1;101) andererseits jeweils voneinander isoliert mit Lastanschlüssen (14,24) versehen sind und daß die an dem jeweiligen Anker (2;102) und dem Kernjoch (1;101) die Arbeitsluftspalte bildenden Polflächen zugleich als Kontaktabschnitte dienen.
Hybridrelais nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Kernjoch (1;101) gegenüberliegenden Seite des jeweiligen Ankers (2;102) ein zum Kernjoch paralleles Öffner-Kontaktblech (3;103) angeordnet ist.
Hybridrelais nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktabschnitte des Ankers bzw. der Anker (2;102) und des Kernjoches (1;101) sowie gegebenenfalls des Öffner-Kontaktbleches (3;103) mit Edelmetall beschichtet sind.
Hybridrelais nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest jeweils auf einem der Kontaktabschnitte zwei Prägewarzen (33) zur Erzielung einer Doppelkontaktgabe vorgesehen sind.
Hybridrelais nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß ein das Kernjoch (1;101) teilweise umhüllender isolierender Spulenkörper (6;106) auf dem Kernjoch (1;101) einen den Leistungshalbleiter wannenförmig umschließenden Kragen (60) bildet.
Hybridrelais nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungshalbleiter (5;105) ohne eigenes Gehäuse auf dem Kernjoch (1;101) befestigt und in der durch den Kragen (60) gebildeten Wanne (69) vergossen ist.
Hybridrelais nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Spulenkörper zusätzliche Leiterbahnen (70) in Form eines Stanzgitters eingebettet sind.
Hybridrelais nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß eine integrierte Steuerschaltung (8;108) für den Leistungshalbleiter (5;105) und/oder die Spule benachbart zum Leistungshalbleiter auf dem Kernjoch (1;101) angeordnet ist.
Hybridrelais nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Anschlußelement (32,34) durch eine Aussparung des den Leistungshalbleiter (5;105) und gegebenenfalls die Steuerschaltung (8;108) tragenden Jochabschnittes (12;112) geführt ist und im Bereich der Anschlußelemente des Leistungshalbleiters (5;105) und/oder der Steuerschaltung (8;108) eine Kontaktierungs-Oberfläche bildet.
Hybridrelais nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Kernjoch (1) eine Kontaktierungsnase (14) bis in den Bereich der Kontaktierungsebene des Leistungshalbleiters (5;105) bzw. der Steuerschaltung (8;108) geprägt ist.
Hybridrelais nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungshalbleiter und eine Steuerschaltung auf einem gemeinsamen integrierten Baustein (205) ausgebildet sind.
Hybridrelais nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ,
dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungshalbleiter (305) und eine Steuerschaltung (308) als Standardbausteine auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Kernjoches (1) angeordnet sind.
Hybridrelais nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Relaissystem mindestens ein abgewinkeltes Joch (401) mit einem neben einer Spulenwicklung (465) sich erstreckenden Jochschenkel (411) aufweist, an dessen Außenseite der Leistungshalbleiter (405) wärmeleitend befestigt ist.
Hybridrelais nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Leistungshalbleiter (405) versehene elektromagnetische Relaissystem auf einer Leiterplatte (410) angeordnet ist, welche die Verbindungen zwischen den Relaiskontakten und der Schaltstrecke des Leistungshalbleiters sowie eine Steuerschaltung (408) trägt.
Hybridrelais nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Leistungshalbleiter (405) versehene elektromagnetische Relaissystem zusammen mit der Leiterplatte (410) und der Steuerschaltung (408) in einer gemeinsamen Kappe (494) aufgenommen und dicht verschlossen ist.