EP2383764A1 - Bistabiles Relais - Google Patents

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EP2383764A1
EP2383764A1 EP11002954A EP11002954A EP2383764A1 EP 2383764 A1 EP2383764 A1 EP 2383764A1 EP 11002954 A EP11002954 A EP 11002954A EP 11002954 A EP11002954 A EP 11002954A EP 2383764 A1 EP2383764 A1 EP 2383764A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
relay
coil
armature
bistable
bistable relay
Prior art date
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Ceased
Application number
EP11002954A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Simon Kalmbach
Karl Steimle
Gunter Kaiser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kissling Elektrotechnik GmbH
Original Assignee
Kissling Elektrotechnik GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/02—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay
    • H01H47/04—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay for holding armature in attracted position, e.g. when initial energising circuit is interrupted; for maintaining armature in attracted position, e.g. with reduced energising current
    • H01H47/043—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay for holding armature in attracted position, e.g. when initial energising circuit is interrupted; for maintaining armature in attracted position, e.g. with reduced energising current making use of an energy accumulator
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H51/00—Electromagnetic relays
    • H01H51/22—Polarised relays
    • H01H51/2209—Polarised relays with rectilinearly movable armature

Definitions

  • the invention relates to a bistable relay, in particular for the high current range, with a coil assembly and a movable armature, which is attracted or repelled by the magnetic flux generated in the coil assembly and thereby opens or closes contacts, wherein in the relay at least one holding means is provided with the anchor can be fixed in position.
  • Such a relay is from the DE 297 24 595 U1 known.
  • Bistable relays are used as switching elements in various fields of defense and aviation, in commercial vehicles, rail vehicles, construction machinery and industrial trucks.
  • bistable relays had to be externally supplied with a precisely defined coil signal for switching on or off. This often led to field failures caused by overcurrent coils.
  • bistable relays have so far had no automatic shutdown in case of power failure.
  • the DE 297 24 595 U1 discloses a bistable relay having at least one coil and a movable armature, in which even after switching off the control current of the at least one coil, the armature can be held in position. To move the armature in an off position of the relay, the known relay must be acted upon by a corresponding control current.
  • the invention is based on the object to provide a bistable relay whose armature is movable without external control signals in an off position of the relay.
  • the object is achieved by an electric storage, with the energy of the armature is movable in an off position of the relay.
  • the drive circuit can drive the relay in such a way that when a voltage is applied to the relay first charged the electrical storage and then the relay is turned on. In case of failure of the supply voltage of the electrical storage can then take over the task of safely turn off the bistable relay.
  • a relay with a safety shutdown can be realized by the electrical storage.
  • the bistable relay can be controlled via a single connection, such as a monostable relay.
  • a control signal for moving the armature in an on position of the relay is sufficient.
  • the relay no longer has to be supplied with a control signal from the outside.
  • the electrical memory provides the necessary current pulse to move the armature to turn off the relay.
  • the electrical storage is preferably integrated in the relay. Due to the integration of the electrical storage, a compact design of the relay is possible.
  • the relay can be used, for example, wherever a conventional monostable relay is to be replaced by a bistable relay without holding currents.
  • Capacitors can be charged and discharged quickly without a memory effect.
  • the coil assembly of the relay may comprise a single coil with two different windings for attracting and repelling the armature.
  • the coil arrangement has an exciter coil and a discharge coil. Excitation and discharge coil can be arranged one above the other or next to each other in the same bobbin.
  • control unit can integrate further safety functions such as polarity reversal protection, short-circuit protection or coil extinction into the relay.
  • control unit can integrate further safety functions such as polarity reversal protection, short-circuit protection or coil extinction into the relay.
  • an undervoltage protection integrated in the control unit can protect the relay against indeterminate operating states.
  • the control unit may preferably be designed such that the relay according to the invention can replace a conventional monostable relay, without having to change anything to the external control of the relay.
  • the relay can be provided for controlling the relay two or three ports.
  • To control the relay for example, either a common ground connection or a common positive terminal and two other connections for switching on or off be provided of the relay.
  • two connections for the power supply and a third connection with an almost powerless control signal for switching on and off of the relay can be provided.
  • the control unit may preferably be formed on a substantially round circuit board on the housing of the coil assembly. Furthermore, the coil contacts can be passed through the board.
  • the described arrangement of the board a compact design of the relay is made possible with a simultaneous simple power supply of all energized relay elements.
  • the individual elements of the relay can be dimensioned such that the relay can be controlled by current pulses of a duration of less than 50 ms.
  • the single figure shows a partially sectioned view of a bistable relay 10 according to the invention, which has a housing 12 and a fastening arrangement 14.
  • a DIN bayonet connector 16 is arranged, through which the relay 10 can be fastened together with the mounting assembly 14 in an application, such as a vehicle.
  • the housing 12 is designed as a metal housing to shield the relay 10 from electrical and magnetic fields of the environment, such as a motor.
  • connection unit 18 In the upper part of the relay 10, a connection unit 18 is arranged.
  • the connection unit 18 has two main contact terminals 20.1 and 20.2.
  • the two main contact terminals 20.1 and 20.2 can be electrically connected or disconnected when switching the relay by moving a main contact bridge 22.
  • the main contact bridge 22 is connected to an armature 24 which is moved when the coil arrangement 26 is energized.
  • the coil assembly 26 has an excitation and a discharge coil.
  • the coil assembly 26 has two permanent magnets (not shown) which hold the armature 24 in the on position or off position after the coil current is turned off.
  • the coil assembly 26 is electrically connected by means of a coil contact 28 with a printed circuit board 30.
  • the printed circuit board 30 is in turn electrically connected to an energy store 32.
  • To control the relay 10 18 three control contacts (not shown) are provided in the connection unit.
  • the energy store 32 which is designed in the form of a capacitor, is first charged. Subsequently, the control signal is modulated on the board 30 to a surge, with which the excitation coil is energized. The armature 24 is thereby moved upwardly in the direction of the arrow 34 and connects the main contact terminals 20.1 and 20.2 through the main contact bridge 22. The armature 24 is held by a permanent magnet of the coil assembly 26 in this position. The relay 10 can thus be held almost without power in the on position. To turn off the relay 10, the voltage is taken from the control contacts of the relay 10. This is registered by the control unit 30.
  • the control unit 30 energizes the discharge coil of the coil assembly 26, the armature 24 is moved counter to the direction of the arrow 34 down to the off position of the relay 10, and the main contact bridge 22 separates the main contact terminals 20.1 and 20.2 from each other. Even with an unwanted drop in the voltage at the control contacts, the relay is thus turned off.
  • the relay 10 thus has an integrated safety shutdown.
  • the wiring of the control unit 30 can preferably be done in three ways.
  • two control contacts are connected to a continuous voltage supply.
  • the relay 10 can be switched on by a high level on a third control contact and off by a low level on the same control contact.
  • the control unit 30 enables almost powerless switching.
  • a first control contact is set to ground.
  • the relay 10 is then turned on by applying a positive voltage to a second control contact and turned off again by a positive voltage at a third control contact.
  • the relay 10 can be connected in a third variant such that a positive voltage is applied to a first control contact and the two other control contacts for switching on and off are subjected to a negative voltage.
  • the wiring options described above are to be regarded as exemplary only.
  • the relay 10 according to the invention can also be controlled, for example, by only two control contacts, the voltages of which are conducted to the control unit 30.
  • the control unit 30 is short-circuit proof and includes a protected coil drive, a polarity reversal protection and a coil cancellation, so that a faulty or improper control is excluded.
  • the coil assembly 26 is made so compact that the geometries and dimensions of the invention Relays 10 are identical to conventional relays.
  • the relay 10 according to the invention can thus replace any corresponding conventional monostable or bistable relay. Compared with conventional relays, the electronic safety of the relay 10 according to the invention is thereby significantly expanded. Due to the integrated energy storage, a safety shutdown can be realized.

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Abstract

An einem bistabilen Relais (10), insbesondere für den Hochstrombereich, mit einer Spulenanordnung (26) und einem beweglichen Anker (24), der durch den in der Spulenanordnung (26) erzeugbaren magnetischen Fluss angezogen oder abgestoßen wird und dabei Kontakte öffnet oder schließt, wobei im Relais (10) mindestens ein Haltemittel vorgesehen ist, mit dem der Anker (24) in seiner Position fixierbar ist, ist ein elektrischer Speicher (32) vorgesehen, mit dessen Energie der Anker (24) in eine Aus-Position des Relais (10) bewegbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein bistabiles Relais, insbesondere für den Hochstrombereich, mit einer Spulenanordnung und einem beweglichen Anker, der durch den in der Spulenanordnung erzeugbaren magnetischen Fluss angezogen oder abgestoßen wird und dabei Kontakte öffnet oder schließt, wobei im Relais mindestens ein Haltemittel vorgesehen ist, mit dem der Anker in seiner Position fixierbar ist.
  • Ein solches Relais ist aus der DE 297 24 595 U1 bekannt geworden.
  • Bistabile Relais werden als Schaltelemente in den unterschiedlichsten Einsatzbereichen der Verteidigung und Luftfahrt, bei Nutzfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Baumaschinen und Flurfördermaschinen eingesetzt. Bistabile Relais mussten bislang extern, das heißt kundenseitig, mit einem genau definierten Spulensignal je zum Ein- bzw. Ausschalten beaufschlagt werden. Dabei kam es oftmals zu Feldausfällen durch mit Überstrom beaufschlagte Spulen. Darüber hinaus verfügten bistabile Relais bislang noch über keine automatische Abschaltung bei Ausfall der Spannungsversorgung.
  • Die DE 297 24 595 U1 offenbart ein bistabiles Relais mit mindestens einer Spule und einem beweglichen Anker, bei dem auch nach Abschalten des Steuerstroms der mindestens einen Spule der Anker in seiner Position gehalten werden kann. Zur Bewegung des Ankers in eine Aus-Position des Relais muss das bekannte Relais mit einem entsprechenden Steuerstrom beaufschlagt werden.
  • Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein bistabiles Relais bereitzustellen, dessen Anker ohne äußere Steuersignale in eine Aus-Position des Relais bewegbar ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Speicher gelöst, mit dessen Energie der Anker in eine Aus-Position des Relais bewegbar ist. Die Ansteuerschaltung kann das Relais dabei derart ansteuern, dass bei Anlegen einer Spannung an das Relais zunächst der elektrische Speicher aufgeladen und anschließend das Relais eingeschaltet wird. Bei Ausfall der Versorgungsspannung kann der elektrische Speicher dann die Aufgabe übernehmen, das bistabile Relais sicher auszuschalten. Durch den elektrischen Speicher kann somit ein Relais mit einer Sicherheitsabschaltung realisiert werden.
  • Durch den elektrischen Speicher ergibt sich der weitere Vorteil, dass das bistabile Relais wie ein monostabiles Relais über nur zwei Anschlüsse angesteuert werden kann. Hierbei genügt ein Steuersignal zum Bewegen des Ankers in eine Ein-Position des Relais. Zum Bewegen des Ankers in eine Aus-Position muss das Relais von außen nicht mehr mit einem Steuersignal beaufschlagt werden. Der elektrische Speicher liefert den notwendigen Stromimpuls zum Bewegen des Ankers zum Abschalten des Relais.
  • Der elektrische Speicher ist vorzugsweise in das Relais integriert. Durch die Integration des elektrischen Speichers ist eine kompakte Bauweise des Relais möglich. Das Relais kann dadurch beispielsweise überall dort eingesetzt werden, wo ein herkömmliches monostabiles Relais durch ein bistabiles Relais ohne Halteströme ersetzt werden soll.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann als elektrischer Speicher ein Kondensator vorgesehen sein. Kondensatoren können schnell aufgeladen und entladen werden, ohne einen Memory-Effekt aufzuweisen.
  • Die Spulenanordnung des Relais kann eine einzelne Spule mit zwei unterschiedlichen Wicklungen zum Anziehen und Abstoßen des Ankers aufweisen. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Spulenanordnung eine Erreger- und eine Abwurfspule auf. Erreger- und Abwurfspule können dabei im selben Spulenkörper übereinander oder nebeneinander angeordnet sein.
  • Darüber hinaus können durch die Steuereinheit weitere Sicherheitsfunktionen wie beispielsweise ein Verpolschutz, ein Kurzschlussschutz oder eine Spulenlöschung in das Relais integriert werden. Weiterhin kann ein in der Steuereinheit integrierter Unterspannungsschutz das Relais vor unbestimmten Betriebszuständen sichern.
  • Die Steuereinheit kann vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass das erfindungsgemäße Relais ein herkömmliches monostabiles Relais ersetzen kann, ohne an der externen Ansteuerung des Relais etwas ändern zu müssen. Am Relais können dabei zwei oder drei Anschlüsse zur Steuerung des Relais vorgesehen sein. Zur Steuerung des Relais können beispielsweise entweder ein gemeinsamer Masseanschluss oder ein gemeinsamer Plusanschluss sowie zwei weitere Anschlüsse zum Ein- oder Ausschalten des Relais vorgesehen sein. In einer weiteren Variante können zwei Anschlüsse zur Stromversorgung und ein dritter Anschluss mit einem nahezu leistungslosen Steuersignal zum Ein- und Ausschalten des Relais vorgesehen sein.
  • Die Steuereinheit kann vorzugsweise auf einer im Wesentlichen runden Platine auf dem Gehäuse der Spulenanordnung ausgebildet sein. Weiterhin können die Spulenkontakte durch die Platine hindurchgeführt werden. Durch die beschriebene Anordnung der Platine wird eine kompakte Bauweise des Relais bei einer gleichzeitigen einfachen Stromversorgung aller bestromten Relaiselemente ermöglicht.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung können die einzelnen Elemente des Relais derart dimensioniert sein, dass das Relais durch Stromimpulse einer Dauer von weniger als 50 ms steuerbar ist.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der Zeichnung, die ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines bistabilen Relais mit integrierter Sicherheitsbeschaltung darstellt.
  • Die einzige Figur zeigt eine teilweise geschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen bistabilen Relais 10, das ein Gehäuse 12 und eine Befestigungsanordnung 14 aufweist. Am Gehäuse 12 ist ein DIN-Bajonettstecker 16 angeordnet, durch den das Relais 10 zusammen mit der Befestigungsanordnung 14 in einer Applikation, beispielsweise einem Fahrzeug, befestigt werden kann. Das Gehäuse 12 ist als Metallgehäuse ausgeführt, um das Relais 10 vor elektrischen und magnetischen Feldern der Umgebung, beispielsweise eines Motors, abzuschirmen.
  • Im oberen Teil des Relais 10 ist eine Anschlusseinheit 18 angeordnet. Die Anschlusseinheit 18 weist zwei Hauptkontaktanschlüsse 20.1 und 20.2 auf. Die beiden Hauptkontaktanschlüsse 20.1 und 20.2 können beim Schalten des Relais durch Bewegen einer Hauptkontaktbrücke 22 elektrisch verbunden oder getrennt werden. Die Hauptkontaktbrücke 22 ist mit einem Anker 24 verbunden, der bei Bestromung der Spulenanordnung 26 bewegt wird. Die Spulenanordnung 26 weist eine Erreger- und eine Abwurfspule auf. Weiterhin weist die Spulenanordnung 26 zwei Permanentmagneten (nicht gezeigt) auf, die den Anker 24 nach Abschalten des Spulenstroms in der Ein-Position oder Aus-Position halten. Die Spulenanordnung 26 ist mittels einer Spulenkontaktierung 28 mit einer Leiterplatte 30 elektrisch verbunden. Die Leiterplatte 30 ist wiederum elektrisch mit einem Energiespeicher 32 verbunden. Zur Steuerung des Relais 10 sind in der Anschlusseinheit 18 drei Steuerkontakte (nicht gezeigt) vorgesehen.
  • Wird das Relais 10 über die Steuerkontakte angesteuert, so wird zuerst der Energiespeicher 32, der in Form eines Kondensators ausgeführt ist, geladen. Anschließend wird das Steuersignal auf der Platine 30 zu einem Stromstoß moduliert, mit dem die Erregerspule bestromt wird. Der Anker 24 wird dadurch nach oben in Richtung des Pfeils 34 bewegt und verbindet die Hauptkontaktanschlüsse 20.1 und 20.2 durch die Hauptkontaktbrücke 22. Der Anker 24 wird durch einen Permanentmagneten der Spulenanordnung 26 in dieser Position gehalten. Das Relais 10 kann somit nahezu leistungslos in der Ein-Position gehalten werden. Zum Ausschalten des Relais 10 wird die Spannung von den Steuerkontakten des Relais 10 genommen. Dies wird von der Steuereinheit 30 registriert. Mittels des Energiespeichers 32 bestromt die Steuereinheit 30 die Abwurfspule der Spulenanordnung 26, der Anker 24 wird entgegen der Richtung des Pfeils 34 nach unten in die Aus-Position des Relais 10 bewegt, und die Hauptkontaktbrücke 22 trennt die Hauptkontaktanschlüsse 20.1 und 20.2 voneinander. Auch bei einem ungewollten Abfall der Spannung an den Steuerkontakten wird das Relais somit ausgeschaltet. Das Relais 10 verfügt damit über eine integrierte Sicherheitsabschaltung.
  • Die Beschaltung der Steuereinheit 30 kann vorzugsweise auf drei Arten erfolgen. In einer ersten Variante sind zwei Steuerkontakte an eine Dauerspannungsversorgung angeschlossen. Das Relais 10 kann in diesem Fall durch einen High-Pegel an einem dritten Steuerkontakt ein- und durch einen Low-Pegel an demselben Steuerkontakt ausgeschaltet werden. In diesem Fall wird durch die Steuereinheit 30 ein nahezu leistungsloses Schalten ermöglicht. In einer zweiten Variante wird ein erster Steuerkontakt auf Masse gesetzt. Das Relais 10 wird dann durch Anlegen einer positiven Spannung an einem zweiten Steuerkontakt eingeschaltet und durch eine positive Spannung an einem dritten Steuerkontakt wieder ausgeschaltet. Schließlich kann das Relais 10 in einer dritten Variante derart beschaltet werden, dass an einem ersten Steuerkontakt eine positive Spannung anliegt und die beiden anderen Steuerkontakte zum Ein- bzw. Ausschalten mit einer negativen Spannung beaufschlagt werden.
  • Die zuvor beschriebenen Beschaltungsmöglichkeiten sind hierbei nur als beispielhaft anzusehen. Das erfindungsgemäße Relais 10 kann beispielsweise auch durch nur zwei Steuerkontakte, deren Spannungen an die Steuereinheit 30 geleitet werden, gesteuert werden.
  • Die Steuereinheit 30 ist kurzschlusssicher ausgebildet und beinhaltet eine geschützte Spulenansteuerung, einen Verpolschutz und eine Spulenlöschung, sodass eine fehlerhafte oder unsachgemäße Ansteuerung ausgeschlossen ist. Darüber hinaus ist die Spulenanordnung 26 so kompakt ausgeführt, dass die Geometrien und Maße des erfindungsgemäßen Relais 10 identisch mit herkömmlichen Relais sind. Das erfindungsgemäße Relais 10 kann somit jedes entsprechende herkömmliche monostabile oder bistabile Relais ersetzen. Gegenüber herkömmlichen Relais ist die elektronische Sicherheit des erfindungsgemäßen Relais 10 dabei deutlich erweitert. Durch den integrierten Energiespeicher kann eine Sicherheitsabschaltung realisiert werden.

Claims (9)

  1. Bistabiles Relais (10), insbesondere für den Hochstrombereich, mit einer Spulenanordnung (26) und einem beweglichen Anker (24), der durch den in der Spulenanordnung (26) erzeugbaren magnetischen Fluss angezogen oder abgestoßen wird und dabei Kontakte (22) öffnet oder schließt, wobei im Relais (10) mindestens ein Haltemittel vorgesehen ist, mit dem der Anker (24) in seiner Position fixierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Speicher (32) vorgesehen ist, mit dessen Energie der Anker (24) in eine Aus-Position des Relais bewegbar ist.
  2. Bistabiles Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Speicher (32) in das Relais (10) integriert ist.
  3. Bistabiles Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrischer Speicher (32) ein Kondensator vorgesehen ist.
  4. Bistabiles Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (26) eine Erreger- und eine Abwurfspule aufweist.
  5. Bistabiles Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine in das Relais (10) integrierte Steuereinheit (30) zur Steuerung des Spulenstroms vorgesehen ist.
  6. Bistabiles Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder drei Steuerkontakte zur Steuerung des Relais (10) vorgesehen sind.
  7. Bistabiles Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) auf einer im Wesentlichen runden Platine auf dem Gehäuse der Spulenanordnung (26) ausgebildet ist.
  8. Bistabiles Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spulenkontaktierung (28) durch die Platine hindurchgeführt ist.
  9. Bistabiles Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Stromimpulse einer Dauer von weniger als 50 ms betätigbar ist.
EP11002954A 2010-04-29 2011-04-08 Bistabiles Relais Ceased EP2383764A1 (de)

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