EP2383765B1 - Relais mit integrierter Sicherheitsbeschaltung - Google Patents

Description

• Relais können in Form von monostabilen oder bistabilen Relais in den unterschiedlichsten Einsatzbereichen wie beispielsweise zur Steuerung von Nutzfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Baumaschinen oder Flurfördermaschinen eingesetzt werden. Die Relais mussten hierzu bislang extern, d. h. kundenseitig, mit einem genau definierten Spulensignal zur Steuerung des Relais beaufschlagt werden. Im Falle eines zu schwachen oder zu hohen Spulensignals kam es dabei oft zu Fehlschaltungen des Relais.
• Ein solches Relais ist beispielsweise in der DE 197 44 396 A1 offenbart. Dieses Relais weist ein Spulengehäuse auf, in dem eine Spulenanordnung mit einem beweglichen Anker angeordnet ist. Durch den Spulenstrom wird ein magnetischer Fluss erzeugt, der den Anker bewegt, sodass ein Stromfluss über zwei Anschlusskontakte entweder zugelassen oder unterbrochen werden kann.
• Die EP 0 017 129 A1 beschreibt ein gepoltes Zungenkontaktrelais. Bei diesem Relais sollen sich zwei Kontakte gleichzeitig betätigen lassen. Das Relais weist ein Gehäuse auf, in dem zwei Spulenkörperhälften und ein Dauermagnet angeordnet sind. Die Spulenanschlüsse sind mit einer Leiterplatte gekoppelt, die eine elektrische Schaltung trägt. Mit der Schaltung kann eine synchrone Betätigung der Kontaktzungen erreicht werden.
• In der US 2004/0240140 A1 ist ein Relais beschrieben, das eine Schaltung zur Ansteuerung aufweist, wobei die Schaltung einen einmal programmierbaren Mikrocontroller aufweist, der eine Betriebsspannung von 3.0 bis 5.5 V aufweist.
• Die DE 60 2005 002 015 T2 beschreibt ein Relais mit einem externen Netzspannungssensor und einer externen Steuerung, die den Spulenstrom abschaltet, wenn die Netzspannung zu hoch oder zu niedrig ist.
• Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Relais bereitzustellen, das eine hohe Schaltsicherheit aufweist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Relais mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Die nunmehr in das Relais integrierte Steuereinheit kann von außen an das Relais angelegte Spannungen auch, wenn diese der zur Schaltung des Relais erforderlichen Spannung nicht exakt entsprechen, als Steuersignal für das Relais interpretieren und einen genau definierten Spulenstrom an die Spule des Relais ausgeben. Feldausfälle durch mit Überstrom beaufschlagte Spulen können so vermieden werden. Darüber hinaus können mit dem erfindungsgemäßen Relais Ansteuerungskonzepte mit niedriger Leistung, beispielsweise Relaisansteuerungen durch Bordcomputer in Fahrzeugen, realisiert werden. Diese können in der Regel selbst keine entsprechend hohen Anzugs- oder Abwurfströme zur Schaltung des Relais zur Verfügung stellen.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Steuereinheit auf einer im Wesentlichen runden Platine ausgebildet sein. Da die Spulenanordnung in der Regel rund ausgebildet ist, kann die Platine mit der Steuereinheit Platz sparend zusammen mit der Spulenanordnung im Spulengehäuse angeordnet werden. Selbstverständlich kann die Form der Platine auch an andere geometrische Formen der Spulenanordnung, beispielsweise an eine rechteckige Spulenanordnung, angepasst sein.
• In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung kann die Platine der Steuereinheit im Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweisen wie die Spulenanordnung. Das Spulengehäuse des Relais kann auf diese Art und Weise kompakt ausgeführt werden.
• Eine Spulenkontaktierung ist vorzugsweise durch die Platine hindurchgeführt. In diesem Fall ergibt sich der Vorteil, dass Steuerelektroden zur Steuerung des Relais in einem Kopfteil des Relais und gleichzeitig die Steuereinheit mit der Platine auf der Spulenanordnung angeordnet werden können.
• In einer Weiterbildung der Erfindung können gefederte Kontaktstifte zur Kontaktierung der Steuereinheit vorgesehen sein. Die gefederten Kontaktstifte bieten auch bei durch ein Fahrzeug oder eine Maschine verursachten Schwingungen des Relais eine zuverlässige elektrische Verbindung.
• Das Relais ist vorzugsweise kurzschlusssicher ausgebildet. Das Relais und insbesondere die Steuereinheit des Relais werden damit auch im Falle eines Kurzschlusses nicht beschädigt.
• Weiterhin ist bevorzugt, dass das Relais einen Verpolschutz aufweist. Eine Beschädigung durch eine falsche Beschaltung des Relais kann hierdurch vermieden werden.
• Die Steuereinheit des Relais kann derart ausgebildet sein, dass eine Spulenlöschung durch die Steuereinheit vornehmbar ist. Durch die Spulenlöschung kann die Steuereinheit das Relais in einen definierten Schaltzustand versetzen.
• Das Relais weist einen Unterspannungsschutz auf. Der Unterspannungsschutz kann das Relais vor unbestimmten Betriebszuständen sichern und das Einschalten eines Verbrauchsstromkreises durch das Relais bei zu geringer Versorgungsspannung verhindern.
• Durch die in das Relais integrierte Steuereinheit kann das Relais ein hohes Maß an elektronischer Sicherheit bieten sowie ein nahezu leistungsloses Schalten ermöglichen.
• In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Relais als bistabiles Relais ausgeführt. In dem bistabilen Relais kann dabei mindestens ein Haltemittel, insbesondere ein Permanentmagnet, vorgesehen sein, mit dem der Anker in einer Position fixierbar ist. Das bistabile Relais kann dadurch auch nach Abschalten des Steuerstroms leistungslos in einer Ein- oder Aus-Position gehalten werden.
• Weiter kann das Relais eine softwaregesteuerte Einschalt- und/oder Ausschaltverzögerung aufweisen, sofern dies vom Anwender gewünscht wird. Das Relais kann zudem mit einem Überspannungsschutz versehen werden.
• Weitere Vorteile ergeben sich aus der Zeichnung, die ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Relais mit integrierter Sicherheitsbeschaltung darstellt.
• Es zeigen:

Fig. 1

eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Relais; und

Fig. 2

eine perspektivische Darstellung der Spuleneinheit und Steuereinheit aus Fig. 1.

• Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Relais 10, das eine Anschlusseinheit 12 und ein Spulengehäuse 14 umfasst. Das Relais 10 ist ein bistabiles Relais. Die Anschlusseinheit 12 weist zwei Hauptkontaktanschlüsse 16.1, 16.2 auf. In Fig. 1 ist ein erster Hauptkontaktanschluss 16.1 dargestellt. Ein zweiter Hauptkontaktanschluss 16.2 wird von einem Durchschlagschutz 18 in der Darstellung gemäß Fig. 1 verdeckt. Die Anschlusseinheit 12 weist weiterhin drei Steuerelektroden auf, von denen in Fig. 1 zwei Steuerelektroden 20.1, 20.2 dargestellt sind. Eine dritte Steuerelektrode befindet sich verdeckt im hinteren Teil des Relais 10. Das Spulengehäuse 14 umfasst eine Spulenanordnung 22, einen Anker 24 sowie eine Steuereinheit 26. Die Steuereinheit 26 ist auf einer im Wesentlichen runden Platine ausgebildet, die den gleichen Durchmesser aufweist wie die Spulenanordnung 22. Die Steuereinheit 26 kann auf diese Art und Weise kompakt in das Spulengehäuse 14 integriert werden und wird durch dieses gleichzeitig gegen Störfelder nach außen abgeschirmt. Zur Steuerung des Relais 10 wird an die Steuerelektroden 20.1, 20.2 ein Steuersignal in Form einer Gleichspannung angelegt. Das Steuersignal wird von der Steuereinheit 26 erfasst, die durch gefederte Kontaktstifte 28.1, 28.2, 28.3 elektrisch mit den jeweiligen Steuerelektroden 20.1, 20.2 verbunden ist. Die Steuereinheit 26 wertet das Steuersignal aus und bestromt die Spulenanordnung 22. Der in der Spulenanordnung 22 induzierte magnetische Fluss bewegt den Anker 24. Am Anker 24 ist eine Hauptkontaktbrücke 30 angeordnet. Durch die Hauptkontaktbrücke 30 wird eine elektrische Verbindung zwischen den Hauptkontaktanschlüssen 16.1 und 16.2 entsprechend der Bewegung des Ankers 24 geöffnet oder geschlossen.
• Fig. 2 zeigt die Spulenanordnung 22, die auf einer Platine ausgeführte Steuereinheit 26 und die gefederten Kontaktstifte 28.1, 28.2 und 28.3 des in Fig. 1 dargestellten Relais 10. Die in Fig. 2 gezeigten Relaiselemente sind alle im Spulengehäuse 14 des Relais 10 angeordnet. Die Spulenanordnung 22 umfasst eine Spule 32 und einen Spulenkörper 34. Die Steuereinheit 26 ist unmittelbar auf dem Spulenkörper 34 angeordnet. Die gefederten Kontaktstifte 28.1, 28.2, 28.3 sind mit den Steuerelektroden elektrisch verbunden. Eine elektrische Verbindung der gefederten Kontaktstifte 28.1, 28.2, 28.3 ist weiterhin durch die Steuereinheit 26 hindurch zur Spule 32 ausgebildet.
• Die Beschaltung der Steuereinheit 26 kann vorzugsweise auf drei Arten erfolgen:
  In einer ersten Variante sind zwei gefederte Kontaktstifte 28.2, 28.3 mit einer Versorgungsspannung beaufschlagt. Das Relais 10 wird durch einen High-Pegel am gefederten Kontaktstift 28.1 eingeschaltet und durch einen Low-Pegel am gefederten Kontaktstift 28.1 wieder ausgeschaltet. Der Bereich des High- und Low-Pegels kann dabei innerhalb der Betriebsspannung des Relais frei definiert werden.
• In einer zweiten Variante ist der gefederte Kontaktstift 28.1 elektrisch mit einer negativen Spannung beaufschlagt. Durch Anlegen einer positiven Spannung am gefederten Kontaktstift 28.2 wird das Relais ein- und durch Anlegen einer positiven Spannung am gefederten Kontaktstift 28.3 wieder ausgeschaltet.
• Schließlich wird in einer dritten Variante der gefederte Kontaktstift 28.3 kontinuierlich mit einer positiven Spannung beaufschlagt. Das Relais wird dann durch Anlegen einer negativen Spannung am gefederten Kontaktstift 28.1 ein- und durch Anlegen einer negativen Spannung am gefederten Kontaktstift 28.2 ausgeschaltet.
• Nachdem das Relais ein- oder ausgeschaltet wurde, reduziert die Steuereinheit 26 den Spulenstrom, sodass die Steuereinheit 26 ein nahezu leistungsloses Halten der jeweiligen Schaltposition des Relais 10 ermöglicht.
• Die Steuereinheit 26 ist kurzschlusssicher und weist eine geschützte Spulenansteuerung, einen Verpolschutz und eine Spulenlöschung auf. Darüber hinaus ist in die Steuereinheit 26 ein Unterspannungsschutz integriert, der das Relais vor unbestimmten Betriebszuständen sichert.
• Weiterhin kann die Steuereinheit 26 durch Ansteuergeräte mit niedriger Leistung, beispielsweise durch Bordcomputer in Fahrzeugen, angesteuert werden. Durch die Anordnung der Steuereinheit 26 im Spulengehäuse 14 wird eine kompakte Bauweise des Relais 10 ermöglicht, sodass das erfindungsgemäße Relais 10 ein herkömmliches Relais gleicher Bauart ersetzen kann. Darüber hinaus kann das Relais mit integrierter Steuereinheit dampfstrahldicht ausgeführt sein.

Claims (9)

1. Relais (10) mit einem Spulengehäuse (14), welches eine Spulenanordnung (22) und einen beweglichen Anker (24) umfasst, der durch den in der Spulenanordnung (22) mittels eines Spulenstroms erzeugbaren magnetischen Fluss einen Stromfluss über zwei Hauptkontaktanschlüsse (16) zulässt oder unterbricht, dadurch gekennzeichnet, dass im Spulengehäuse (14) eine Steuereinheit (26) zur Steuerung des Spulenstroms vorgesehen ist, die unmittelbar auf dem Spulenkörper angeordnet ist und die bei zu schwachen oder zu hohen von außen angelegten Relaisspannungen eine Fehlfunktion des Relais verhindert, indem sie einen genau definierten Spulenstrom an die Spule des Relais ausgibt.
2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (26) auf einer im Wesentlichen runden Platine ausgebildet ist.
3. Relais nach nach Anspruch 2,
   dadurch gekennzeichnet, dass die Platine der Steuereinheit (26) im Wesentlichen denselben Durchmesser aufweist wie die Spulenanordnung (22).
4. Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spulenkontaktierung durch die Platine hindurchgeführt ist.
5. Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gefederte Kontaktstifte (28.1, 28.2, 28.3) zur Kontaktierung der Steuereinheit vorgesehen sind.
6. Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais (10) kurzschlusssicher ausgebildet ist.
7. Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais (10) einen Verpolschutz aufweist.
8. Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuereinheit (26) des Relais (10) eine Spulenlöschung vornehmbar ist.
9. Relais nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais (10) einen Unterspannungsschutz aufweist.

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