EP2415058A1 - Modulare schaltungsanordnung zum schalten elektrischer leistungen sowie ein dazu ausgebildeter adapter - Google Patents

Modulare schaltungsanordnung zum schalten elektrischer leistungen sowie ein dazu ausgebildeter adapter

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Publication number
EP2415058A1
EP2415058A1 EP10716755A EP10716755A EP2415058A1 EP 2415058 A1 EP2415058 A1 EP 2415058A1 EP 10716755 A EP10716755 A EP 10716755A EP 10716755 A EP10716755 A EP 10716755A EP 2415058 A1 EP2415058 A1 EP 2415058A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
relay
adapter
control device
semiconductor
modular circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10716755A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank DÖLLERER
Andreas WÖHRMEIER
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.)
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Phoenix Contact GmbH and Co KG filed Critical Phoenix Contact GmbH and Co KG
Publication of EP2415058A1 publication Critical patent/EP2415058A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
    • H01H9/542—Contacts shunted by static switch means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/60—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors

Definitions

  • the invention relates to a modular circuit arrangement for switching electrical power and an adapter which is designed for use in such a modular circuit arrangement.
  • relays or contactors are often used. Relays are usually inexpensive. Furthermore, they are characterized by high switching performance, low power loss and insensitivity to short-term overloads. However, relays are subject to wear due to their mechanical structure, which includes movable armatures and movable work contacts. In applications in which a high switching frequency is required, electronic relays, ie semiconductor relays, are therefore being used more and more frequently. Such electronic switches are also known as solid-state relays. Semiconductor relays are characterized by low wear and low wear
  • the invention has for its object to provide a modular circuit arrangement for switching electrical power, with the wear of conventional relay can be significantly reduced.
  • a key idea of the invention is to be seen, an electromechanical switch, so a relay or a contactor with an electronic switch, so a semiconductor relay to interconnect such that the normally open contacts of the relay and thus can be opened and closed low wear.
  • the semiconductor relay is part of an adapter, wherein the relay and the adapter are formed as separate, detachably interconnectable modules.
  • the modular circuit arrangement has a relay socket, which can be detachably connected to an adapter arranged in an adapter housing.
  • the adapter has a semiconductor relay, that is to say an electronic switch, and a control device electrically connected thereto.
  • a relay is provided which is detachably, electrically and mechanically connectable to the adapter, such that in the connected state, the semiconductor relay is connected in parallel with a mechanical switch of the relay.
  • the control device is designed such that it can control the relay and the semiconductor relay at different times. It should be noted at this point that the relay can also be a contactor designed for higher powers.
  • the semiconductor relay can be realized with transistors or thyristors or triacs in a conventional manner.
  • the relay socket and the relay may be standard components.
  • the adapter has at least a first terminal for applying a control signal to the control means and second terminals for connecting the relay to the semiconductor relay and to the control means for activating and deactivating the relay.
  • the mechanical switch of the relay is connected in parallel to the semiconductor relay.
  • the relay has complementary at appropriate locations
  • Connection contacts on. Control signals can also be applied to a corresponding terminal of the relay socket, in which case connected, d. H. assembled state of the circuit arrangement, an electrical connection through the relay socket to the at least one first connection.
  • the modular circuit arrangement can have fourth connections.
  • the fourth connections can be arranged, for example, on the adapter, so that the load can be connected directly to the adapter. It is also conceivable that the load is connected to the relay socket. In this approach, a portion of the load circuit containing the load of the relay in the connected state passes through the relay socket and the adapter.
  • a voltage source is implemented in the adapter, which can be connected via the control device to the relay.
  • the relay socket is designed to connect a voltage source.
  • the relay socket, the adapter and the relay in the connected state are electrically connected such that the voltage source can be connected by means of the control device to the relay.
  • the control device in response to a first control signal, which serves to activate the relay, the semiconductor relay at a first time, while at a second, later time the relay is activated. In this way it is ensured that a load current flows through the semiconductor relay in the switching moment of the relay.
  • the controller disables the relay in response to a second control signal and switches at a later time, e.g. B. after a few milliseconds, the semiconductor relay.
  • the semiconductor relay can also be switched off during active operation of the relay at a third time.
  • the controller causes in response to a second Control signal, first, that the semiconductor relay is turned on. After elapse of an adjustable time interval, the controller ensures that the relay is deactivated. Deactivating means that the normally open contacts of the relay are opened or closed, depending on whether the relay is operated as NC or NO. Subsequently, the semiconductor relay is switched off again.
  • an adapter which is designed for use in the modular circuit arrangement described above.
  • the adapter is housed in a housing and has a first means for releasable, electrical and / or mechanical connection to a relay socket and a second means for releasable, electrical and mechanical connection to a relay. Furthermore, a semiconductor relay and a control device electrically connected thereto are implemented in the adapter.
  • Fig. 1 is a schematic side view of a modular
  • FIG. 2 is a plan view of that shown in Fig. 1
  • Fig. 3 shows the equivalent circuit diagram of a hybrid circuit, which is formed in the connected state by the adapter and the relay.
  • Fig. 1 shows an exemplary modular circuit arrangement 10 for switching electrical
  • the modular circuitry 10 may include a commercially available, standardized industrial relay socket 40. Furthermore, the modular circuitry may include a commercially available industrial relay 20, which sits in a conventional housing.
  • the relay socket 40 and the relay 20 are adapted to each other so that the relay 20 can be placed on the relay socket.
  • an adapter 30 is provided, which sits in a suitable housing 120.
  • the relay socket 40, the adapter 30 and the relay 20 form the modules of the modular circuit arrangement 10.
  • the adapter 30 is electrically and mechanically releasably connected to the relay socket 40.
  • the relay 20 is in turn releasably, electrically and mechanically connected to the adapter housing 120.
  • the relay socket 40 may have connection contacts 41 and 42 to which a
  • the DC voltage source 110 can be connected.
  • the DC voltage source 110 supplies the control voltage for a relay coil 21 of the relay 20.
  • the connection contacts 41 and 42 are electrically connected to a connection contact 103 and a connection contact 102 of the relay socket 40.
  • the connection contact 101 is electrically connected to a connection contact 34 of the adapter 30 and the connection contact 100 is connected via a control device 50 to a connection contact 33 of the adapter 30.
  • the control device 50 has an electronic switch (not shown) for this purpose.
  • connection contacts 100 and 101 are expediently located on the side facing the relay socket 40 side of the adapter housing 120, while the connection contacts 33 and 34 are arranged on the opposite side of the adapter housing 120.
  • the relay coil 21 is connected to the connection contacts 33 and 34 in the connected state.
  • the control circuit of the relay 20 which is shown in sections in Fig. 3 and identified by reference numeral 90, thus from the relay coil 21 via the adapter 30 and the relay socket 40 to the DC voltage source 110 and back.
  • FIG. 2 shows an exemplary terminal assignment of the adapter 30.
  • connection contacts 31 and 32 are provided in order to be able to supply control signals to the adapter 30.
  • To the terminal contacts 33, 34 is the Relay coil 21 is connected, while at terminal contacts 36, 37, a mechanical switch 22, so the normally open contacts of the relay 20 can be connected.
  • the mechanical switch 22 is shown in FIG.
  • the corresponding connection contacts of the relay 20 are not shown.
  • At the bottom of the adapter housing 120 the contact terminals 100 and 101 are provided.
  • guide pins 80 may be provided, which engage in corresponding recesses of the relay socket 40. Corresponding guide pins or
  • Guide holes are located at the top of the housing 120 and at the bottom of the relay 30, respectively.
  • Fig. 3 shows, among other things, the circuit design of the adapter 30 shown in Fig. 1 without housing 120.
  • the adapter 30 includes the control device 50 shown in Fig. 1, which is known with a semiconductor relay 60, which is also known as a solid-state relay , connected is.
  • the semiconductor relay 60 may be embodied, for example, as a pnp transistor.
  • the output of the controller 50 is connected to the base terminal 61 of the transistor 60.
  • the adapter 30 has, for example, the two connection contacts 31 and 32 likewise shown in FIG. 2, which are connected on the input side to the control device 50. Control signals, for example for activating and deactivating the relay 20, can be applied to the two connection contacts 31 and 32.
  • the adapter 30 also has the Terminal contact 35 which is connected to the emitter terminal 62 of the semiconductor relay 60.
  • the terminal contact 38 is connected to the collector terminal 63 of the semiconductor relay 60.
  • a load 70 via a load circuit 95 of the relay 20 can be connected to the terminals 35 and 38 of the adapter 30.
  • the load circuit 95 and the load 70 are shown in dashed lines in Fig. 3.
  • a load 70 supplying power supply is not shown.
  • the load 70 can alternatively be connected to the relay socket 40.
  • the load circuit 95 in the assembled state of the modular circuit arrangement 10 is guided at least in sections through the relay socket 40 and the adapter 30.
  • Adapter 30 is electrically connected. Since the connection contacts 36 and 37 are electrically connected to the emitter terminal 62 and the collector terminal 63 of the semiconductor relay 60, the mechanical switch 22 of the relay 20 is connected in parallel to the semiconductor relay 60 in the assembled state.
  • the relay coil 21 is connected to the adapter housing 120 with a connection to the terminal contact 34 and with the second terminal to the terminal contact 33 of the adapter 30 when placing the relay 20.
  • the connection contact 34 of the adapter 30 is connected directly to the connection contact 101, while the connection contact 33 is connected via the control device 50 to the connection contact 100 of the adapter 30. This interconnection is also shown schematically in FIG. 1. At this
  • the control device 50 the mentioned in connection with Fig. 1 controllable switch (not shown), which is connected between the terminals 33 and 100.
  • the controllable switch and the control logic of the control device 50 which controls the controllable switch and the semiconductor relay 60, may be formed as separate components, in contrast to the illustrated embodiment. If the adapter housing 120 is placed on the relay socket, the connection contacts 100 and 101 of the adapter 30 are electrically connected to the corresponding connection contacts 102 and 103 of the relay socket, so that the relay coil 21, as shown in Fig. 1, electrically connected to the DC voltage source 110 becomes.
  • the relay coil 21, the control device 50 and the DC voltage source 110 are thus in the control circuit 90 of the relay 20th
  • the semiconductor relay 60 of the adapter 30 and the relay 20 form a hybrid circuit in which the semiconductor relay 60 is connected in parallel with the mechanical switch 21 of the relay 20.
  • the hybrid circuit is thus part of the load circuit 95 of the relay 20th
  • the relay socket 40 is preferably latched onto a DIN rail (not shown), and that the voltage source 110 is connected to the connection terminals 41 and 42 of the relay socket 40, as shown in FIG.
  • the adapter housing 120 and thus the adapter 30 are placed on the relay socket 40, so that the connection contacts 100 and 101 of the adapter 30 are electrically connected to the terminal contact 102 and 103 of the relay socket 40.
  • the relay 20 is already mounted on the adapter housing 120, so that the relay coil 21 is electrically connected to the contacts 33 and 34, while the mechanical switch 22, so the normally open contacts of the relay 20, electrically connected to the contacts 36 and 37 of the adapter 30 is.
  • the load circuit 95 is connected to the terminal contacts 35 and 38 of the adapter housing 120.
  • the relay 20 is operated as normally open, ie in the idle state the mechanical switch 22 is open.
  • an activation signal is applied to the control device 50 via the connection contact 31, for example.
  • the controller 50 first drives the semiconductor relay 60 to the conductive state, so that the load circuit 95 is closed and the load current can flow only through the semiconductor relay 30.
  • the mechanical switch 22 is open at this moment.
  • the control device 50 closes the switch located between the connection contacts 33 and 100, whereby the voltage source 110 is applied to the relay coil 21. In a manner known per se, the mechanical switch 22 of the relay 20 is then closed.
  • the relay 20 can be switched almost no load and wear. In addition, bounce effects that the mechanical switch 22 may cause do not affect the load current. At the same time, the power loss due to the closing of the mechanical switch 22 is significantly reduced by the semiconductor relay 60.
  • the SSR 60 may remain closed or opened during operation.
  • the semiconductor relay 60 remains closed during operation. If now the relay 20 are turned off, a corresponding switch-off signal is applied to the control device 50, for example via the terminal contact 32. In response to the turn-off signal, the controller 50 opens the switch located between the terminals 33 and 100, thereby opening the control circuit 90 and, as a result, the mechanical switch 22. Since that
  • Semiconductor relay 60 acts as an active bypass for the mechanical switch 22 at the switching moment, the mechanical switch 22 can be opened again almost no load and low-wear. After a certain time, for example after a few milliseconds, the control device 50 causes the semiconductor relay 60 to go into the blocking state via the base terminal 61, ie. H. the semiconductor relay 60 is opened.
  • the control device 50 provides first, in response to a turn-off signal, that the semiconductor relay 60 is turned on again, that is, in the conductive state. As soon as the bypass realized via the semiconductor relay 60 is active again, the control device 50 ensures that the switch lying between the connection contacts 33 and 100 is opened. As a result, the mechanical switch 22 is also opened. Since most of the load current is conducted via the semiconductor relay 60 at the moment of switching, the mechanical switch 22 can in turn be switched almost without load and with little wear.
  • a protection circuit implemented in the adapter 30 can generate reverse voltages which are generated when switching the relay
  • the relay 30 and the relay socket 40 can be connected to each other without the interposition of the adapter 30. However, if the situation requires it, between the relay socket 40 and the relay 30, the adapter 35 can be switched so that a Hypridscnies of the semiconductor relay 60 and the relay 20 is formed.

Landscapes

  • Keying Circuit Devices (AREA)
  • Details Of Connecting Devices For Male And Female Coupling (AREA)
  • Relay Circuits (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine modulare Schaltungsanordnung (10) zum Schalten elektrischer Leistungen. Sie weist einen Relaissockel (40) und einen Adapter (30) auf, der lösbar mit dem Relaissockel (40) verbindbar ist. Der Adapter (30) enthält ein Halbleiterrelais (60) und eine damit elektrisch verbundene Steuereinrichtung (50). Weiterhin ist ein Relais (20) vorgesehen, das lösbar, elektrisch und mechanisch mit dem Adapter (30) verbindbar ist, derart, dass im verbundenen Zustand das Halbleiterrelais (60) parallel zu einem mechanischen Schalter (22) des Relais (20) geschaltet ist, wobei die Steuereinrichtung (50) das Relais (20) und das Halbleiterrelais (60) zu unterschiedlichen Zeitpunkten ansteuern kann.

Description

Modulare Schaltungsanordnung zum Schalten elektrischer Leistungen sowie ein dazu ausgebildeter Adapter
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine modulare Schaltungsanordnung zum Schalten elektrischer Leistungen sowie einen Adapter, welcher zum Einsatz in einer solchen modularen Schaltungsanordnung ausgebildet ist.
Um elektrische Leistungen schalten zu können, werden häufig elektromechanische Schalter, also Relais oder Schütze verwendet. Relais sind in der Regel kostengünstig. Ferner zeichnen sie sich durch hohe Schaltleistungen, eine geringe Verlustleistung und eine Unempfindlichkeit gegen kurzzeitige Überlastungen aus. Allerdings sind Relais aufgrund ihres mechanischen Aufbaus, der bewegliche Anker und bewegliche Arbeitskontakte enthält, verschleißbehaftet. In Anwendungen, in denen eine hohe Schalthäufigkeit gefordert ist, werden daher immer häufiger elektronische Relais, also Halbleiterrelais eingesetzt. Solche elektronischen Schalter sind auch als Solid-State-Relais bekannt. Halbleiterrelais zeichnen sich durch einen geringen Verschleiß, eine niedrige
Vibrationsempfindlichkeit sowie eine hohe Schalthäufigkeit aus .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine modulare Schaltungsanordnung zum Schalten elektrischer Leistungen zu schaffen, mit der der Verschleiß herkömmlicher Relais deutlich reduziert werden kann. Ein Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, einen elektromechanischen Schalter, also ein Relais oder einen Schütz mit einem elektronischen Schalter, also einem Halbleiterrelais derart zu verschalten, dass die Arbeitskontakte des Relais nahezu lastlos und somit verschleißarm geöffnet und geschlossen werden können. Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, dass das Halbleiterrelais Teil eines Adapters ist, wobei das Relais und der Adapter als separate, lösbar miteinander verbindbare Module ausgebildet sind. Dadurch können im Fehlerfall das Relais und/oder das Halbleiterrelais unabhängig voneinander ausgetauscht werden.
Das oben genannte technische Problem löst die Erfindung zum einen durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Danach ist eine modulare Schaltungsanordnung zum Schalten elektrischer Leistungen vorgesehen. Die modulare Schaltungsanordnung weist einen Relaissockel auf, der mit einem in einem Adaptergehäuse angeordneten Adapter lösbar verbunden werden kann. Der Adapter weist ein Halbleiterrelais, also einen elektronischen Schalter, sowie eine damit elektrisch verbundene Steuereinrichtung auf. Weiterhin ist ein Relais vorgesehen, das lösbar, elektrisch und mechanisch mit dem Adapter verbindbar ist, derart, dass im verbundenen Zustand das Halbleiterrelais parallel zu einem mechanischen Schalter des Relais geschaltet ist. Die Steuereinrichtung ist derart ausgebildet, dass sie das Relais und das Halbleiterrelais zu unterschiedlichen Zeitpunkten ansteuern kann. Angemerkt sei an dieser Stelle, dass es sich bei dem Relais auch um einen Schütz handeln kann, der für höhere Leistungen ausgelegt ist. Das Halbleiterrelais kann mit Transistoren oder Tyristoren bzw. Triacs in an sich bekannter Weise realisiert werden. Bei dem Relaissockel und dem Relais kann es sich um Standardbauteile handeln.
Zweckmäßigerweise weist der Adapter wenigstens einen ersten Anschluss zum Anlegen eines Steuersignals an die Steuereinrichtung und zweite Anschlüsse zum Anschließen des Relais an das Halbleiterrelais und an die Steuereinrichtung auf, und zwar zum Aktivieren und Deaktivieren des Relais. Im verbundenen Zustand ist der mechanische Schalter des Relais parallel an das Halbleiterrelais angeschlossen. Das Relais weist an entsprechenden Stellen komplementäre
Anschlußkontakte auf. Steuersignale können auch an einen entsprechenden Anschluss des Relaissockels angelegt werden, wobei dann im verbundenen, d. h. zusammengefügten Zustand der Schaltungsanordnung, eine elektrische Verbindung durch den Relaissockel zu dem wenigstens einen ersten Anschluss besteht.
Um eine Last an das Relais anschalten zu können, kann die modulare Schaltungsanordnung vierte Anschlüsse aufweisen. Die vierten Anschlüsse können beispielsweise am Adapter angeordnet sein, so dass die Last direkt am Adapter angeschlossen werden kann. Denkbar ist auch, dass die Last am Relaissockel angeschlossen wird. Bei diesem Ansatz verläuft ein Abschnitt des die Last enthaltenden Laststromkreises des Relais im verbundenen Zustand durch den Relaissockel und den Adapter. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist in dem Adapter eine Spannungsquelle implementiert, welche über die Steuereinrichtung an das Relais anschaltbar ist.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der Relaissockel zum Anschließen einer Spannungsquelle ausgebildet. In diesem Fall sind der Relaissockel, der Adapter und das Relais im verbundenen Zustand elektrisch derart verbunden, dass die Spannungsquelle mittels der Steuereinrichtung an das Relais anschließbar ist.
Um eine im Wesentlichen lastlose oder zumindest lastarme und somit verschleißarm Beanspruchung des Relais zu erzielen, schaltet die Steuereinrichtung unter Ansprechen auf ein erstes Steuersignal, welches zum Aktivieren des Relais dient, das Halbleiterrelais zu einem ersten Zeitpunkt ein, während sie zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt das Relais aktiviert. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass ein Laststrom im Schaltaugenblick des Relais durch das Halbleiterrelais fließt.
Wird das Halbleiterrelais während des Betriebs des Relais nicht ausgeschaltet, so deaktiviert die Steuereinrichtung unter Ansprechen auf ein zweites Steuersignal das Relais und schaltet zu einem späteren Zeitpunkt, z. B. nach einigen Millisekunden, das Halbleiterrelais aus.
Um die Verlustleistung im Halbleiterrelais zu reduzieren, kann das Halbleiterrelais auch während des aktiven Betriebs des Relais zu einem dritten Zeitpunkt ausgeschaltet werden. Um das Relais zu deaktivieren, veranlasst die Steuereinrichtung unter Ansprechen auf ein zweites Steuersignal zunächst, dass das Halbleiterrelais eingeschaltet wird. Nach Verstreichen eines einstellbaren Zeitintervalls sorgt die Steuereinrichtung dafür, dass das Relais deaktiviert wird. Deaktivieren heißt, dass die Arbeitskontakte des Relais geöffnet oder geschlossen werden, je nach dem, ob das Relais als Öffner oder Schließer betrieben wird. Anschließend wird das Halbleiterrelais wieder ausgeschaltet.
Das oben genannte technische Problem wird zum Anderen durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst.
Danach ist ein Adapter vorgesehen, welcher zum Einsatz in der zuvor beschriebenen modularen Schaltungsanordnung ausgebildet ist. Der Adapter ist in einem Gehäuse untergebracht und weist eine erste Einrichtung zum lösbaren, elektrischen und/oder mechanischen Verbinden mit einem Relaissockel und eine zweite Einrichtung zum lösbaren, elektrischen und mechanischen Verbinden mit einem Relais auf. Ferner ist im Adapter ein Halbleiterrelais und eine damit elektrisch verbundene Steuereinrichtung implementiert .
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer modularen
Schaltungsanordnung zum Schalten elektrischer Leistungen gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine Draufsicht auf den in Fig. 1 gezeigten
Adapter mit entsprechenden Anschlusskontakten und Positionierungsstiften, und
Fig. 3 das Ersatzschaltbild einer Hybridschaltung, welche im verbundenen Zustand durch den Adapter und das Relais gebildet wird.
Fig. 1 zeigt eine beispielhafte modulare Schaltungsanordnung 10 zum Schalten elektrischer
Leistungen. Die modulare Schaltungsanordnung 10 kann einen handelsüblichen, standardisierten Industrie-Relaissockel 40 aufweisen. Weiterhin kann die modulare Schaltungsanordnung ein handelsübliches Industrierelais 20 umfassen, welches in einem üblichen Gehäuse sitzt.
Der Relaissockel 40 und das Relais 20 sind derart aneinander angepasst, dass das Relais 20 auf dem Relaissockel aufgesetzt werden kann. Zudem ist ein Adapter 30 vorgesehen, der in einem geeigneten Gehäuse 120 sitzt.
Aufbau und Funktionsweise des Adapters 30 werden unten noch detailliert geschildert. Der Relaissockel 40, der Adapter 30 und das Relais 20 bilden die Module der modularen Schaltungsanordnung 10.
Der Adapter 30 ist elektrisch und mechanisch mit dem Relaissockel 40 lösbar verbunden. Das Relais 20 ist wiederum lösbar, elektrisch und mechanisch mit dem Adaptergehäuse 120 verbunden. Der Relaissockel 40 kann Anschlusskontakte 41 und 42 aufweisen, an die eine
Gleichspannungsquelle 110 angeschlossen werden kann. Die Gleichspannungsquelle 110 liefert die Steuerspannung für eine Relaisspule 21 des Relais 20. Hierzu sind die Anschlusskontakte 41 und 42 mit einem Anschlusskontakt 103 bzw. einem Anschlusskontakt 102 des Relaissockels 40 elektrisch verbunden. Im verbundenen Zustand der modularen Schaltungsanorndung 10 besteht zwischen den Kontakten 103 und 102 des Relaissockels 40 und Anschlusskontakten 100 bzw. 101 des Adapters 30 eine elektrische Verbindung. Wie schematisch in Fig. 1 weiter gezeigt, ist der Anschlusskontakt 101 elektrisch mit einem Anschlusskontakt 34 des Adapters 30 und der Anschlusskontakt 100 über eine Steuereinrichtung 50 mit einem Anschlusskontakt 33 des Adapters 30 verbunden. Die Steuereinrichtung 50 weist zu diesem Zweck einen elektronischen Schalter (nicht dargestellt) auf. Die Anschlusskontakte 100 und 101 befinden sich zweckmäßiger Weise an der zum Relaissockel 40 weisenden Seite des Adaptergehäuses 120, während die Anschlusskontakte 33 und 34 an der gegenüberliegenden Seite des Adaptergehäuses 120 angeordnet sind. Über entsprechende Anschlusskontakte des Relais 20 wird im verbundenen Zustand die Relaisspule 21 an die Anschlusskontakte 33 und 34 angeschlossen. Bei der gezeigten Ausführungsform verläuft der Steuerstromkreis des Relais 20, der abschnittsweise in Fig. 3 dargestellt und mit Bezugszeichen 90 gekennzeichnet ist, somit von der Relaisspule 21 über den Adapter 30 und den Relaissockel 40 zur Gleichspannungsquelle 110 und wieder zurück.
Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Anschlussbelegung des Adapters 30. An der zum Relais 20 weisenden Seite des Adaptergehäuses 120 sind Anschlusskontakte 31 und 32 vorgesehen, um Steuersignale dem Adapter 30 zuführen zu können. An die Anschlusskontakte 33, 34 wird die Relaisspule 21 angeschlossen, während an Anschlusskontakte 36, 37 ein mechanischer Schalter 22, also die Arbeitskontakte des Relais 20 angeschlossen werden können. Der mechanische Schalter 22 ist in Fig. 3 dargestellt. Die entsprechenden Anschlusskontakte des Relais 20 sind nicht dargestellt. An der Unterseite des Adaptergehäuses 120 sind die Kontaktanschlüsse 100 und 101 vorgesehen. Im Gehäuse 120 des Adapters 30 können Führungsstifte 80 vorgesehen sein, die in entsprechende Aussparungen des Relaissockels 40 eingreifen. Entsprechende Führungsstifte oder
Führungslöcher sind an der Oberseite des Gehäuses 120 bzw. an der Unterseite des Relais 30 angeordnet.
Nachfolgend wird das elektrische Ersatzschaltbild der im verbundenen Zustand entstandenen Hybridschaltung aus
Adapter 30 und Relais 20 anhand der Fig. 3 näher erläutert.
Fig. 3 zeigt unter Anderem den schaltungstechnischen Aufbau des in Fig. 1 gezeigten Adapters 30 ohne Gehäuse 120. Der Adapter 30 enthält die in Fig. 1 gezeigte Steuereinrichtung 50, die mit einem Halbleiterrelais 60, welches auch als Solid-State-Relais bekannt ist, verbunden ist. Das Halbleiterrelais 60 kann beispielsweise als pnp-Transistor ausgeführt sein. In diesem Fall ist der Ausgang der Steuereinrichtung 50 mit dem Basisanschluss 61 des Transistors 60 verbunden. Der Adapter 30 weist beispielsweise die beiden ebenfalls in Fig. 2 gezeigten Anschlusskontakte 31 und 32 auf, die eingangsseitig mit der Steuereinrichtung 50 verbunden sind. An die beiden Anschlusskontakte 31 und 32 können Steuersignale beispielsweise zum Aktivieren und Deaktivieren des Relais 20 angelegt werden. Der Adapter 30 weist weiterhin den Anschlusskontakt 35 auf, der mit dem Emitteranschluss 62 des Halbleiterrelais 60 verbunden ist. Der Anschlusskontakt 38 ist mit dem Kollektoranschluss 63 des Halbleiterrelais 60 verbunden. An die Anschlusskontakte 35 und 38 des Adapters 30 kann eine Last 70 über einen Laststromkreis 95 des Relais 20 angeschlossen werden. Der Laststromkreis 95 und die Last 70 sind in Fig. 3 gestrichelt dargestellt. Eine die Last 70 speisende Energieversorgung ist nicht dargestellt. Angemerkt sei, dass die Last 70 alternativ auch an den Relaissockel 40 angeschlossen werden kann. In diesem Fall wird der Laststromkreis 95 im zusammengefügten Zustand der modularen Schaltungsanordnung 10 zumindest abschnittsweise durch den Relaissockel 40 und den Adapter 30 geführt. Über die auch in Fig. 2 gezeigten Anschlusskontakte 36 und 37 wird das Relais 20 mit dem
Adapter 30 elektrisch verbunden. Da die Anschlusskontakte 36 und 37 elektrisch mit dem Emitteranschluss 62 bzw. dem Kollektoranschluss 63 des Halbleiterrelais 60 verbunden sind, ist in zusammengefügtem Zustand der mechanische Schalter 22 des Relais 20 parallel an das Halbleiterrelais 60 geschaltet. Die Relaisspule 21 wird beim Aufsetzen des Relais 20 auf das Adaptergehäuse 120 mit einem Anschluss an den Anschlusskontakt 34 und mit dem zweite Anschluss an den Anschlusskontakt 33 des Adapters 30 angeschlossen ist. Im dargestellten Beispiel ist der Anschlusskontakt 34 des Adapters 30 unmittelbar mit dem Anschlusskontakt 101 verbunden, während der Anschlusskontakt 33 über die Steuereinrichtung 50 mit dem Anschlusskontakt 100 des Adapters 30 verbunden ist. Diese Verschaltung ist schematisch auch in Fig. 1 gezeigt. Bei dieser
Ausführungsform weist die Steuereinrichtung 50 den in Verbindung mit Fig. 1 erwähnten steuerbaren Schalter (nicht dargestellt) auf, der zwischen die Anschlusskontakte 33 und 100 geschaltet ist. Der steuerbare Schalter und die Steuerlogik der Steuereinrichtung 50, welche den steuerbaren Schalter und das Halbleiterrelais 60 ansteuert, können im Unterschied zur dargestellten Realisierung als separate Bauteile ausgebildet sein. Wird das Adaptergehäuse 120 auf den Relaissockel aufgesetzt, werden die Anschlusskontakte 100 und 101 des Adapters 30 elektrisch mit den entsprechenden Anschlusskontakten 102 bzw. 103 des Relaissockels verbunden, so dass die Relaisspule 21, wie in Fig. 1 dargestellt, mit der Gleichspannungsquelle 110 elektrisch verbunden wird. Die Relaisspule 21, die Steuereinrichtung 50 und die Gleichspannungsquelle 110 liegen somit in dem Steuerstromkreis 90 des Relais 20.
Wie Fig. 3 zeigt, bilden das Halbleiterrelais 60 des Adapters 30 und das Relais 20 eine Hypridschaltung, bei der das Halbleiterrelais 60 parallel zum mechanischen Schalter 21 des Relais 20 geschaltet ist. Die Hybridschaltung ist somit Bestandteil des Laststromkreises 95 des Relais 20.
Nunmehr wird die Funktionsweise der in Fig. 1 und 3 schematisch gezeigten modularen Schaltungsanordnung 10 näher erläutert.
Angenommen sei zunächst, dass der Relaissockel 40 vorzugsweise auf einer Hutschiene (nicht dargestellt) aufgerastet ist, und dass die Spannungsquelle 110 an den Anschlussklemmen 41 und 42 des Relaissockels 40 angeschlossen ist, wie dies Fig. 1 zeigt. Das Adaptergehäuse 120 und somit der Adapter 30 sind auf dem Relaissockel 40 aufgesetzt, so dass die Anschlusskontakte 100 und 101 des Adapters 30 mit dem Anschlusskontakt 102 bzw. 103 des Relaissockels 40 elektrisch verbunden sind. Das Relais 20 ist bereits auf dem Adaptergehäuse 120 aufgesetzt, so dass die Relaisspule 21 elektrisch mit den Kontakten 33 und 34 verbunden ist, während der mechanische Schalter 22, also die Arbeitskontakte des Relais 20, elektrisch mit den Kontakten 36 und 37 des Adapters 30 verbunden ist. Ferner sei angenommen, dass der Laststromkreis 95 an den Anschlusskontakten 35 und 38 des Adaptergehäuse 120 angeschlossen ist. Für die weitere Betrachtung wird angenommen, dass das Relais 20 als Schließer betrieben wird, d. h. im Ruhezustand ist der mechanische Schalter 22 geöffnet .
Soll das Relais 20 aktiviert werden, wird ein Aktivierungssignal beispielsweise über den Anschlusskontakt 31 an die Steuereinrichtung 50 angelegt. Unter Ansprechen auf das Aktivierungssignal steuert die Steuereinrichtung 50 zunächst das Halbleiterrelais 60 in den leitenden Zustand, so dass der Laststromkreis 95 geschlossen wird und der Laststrom nur über das Halbleiterrelais 30 fließen kann. Der mechanische Schalter 22 ist in diesem Augenblick geöffnet. Nach einem definierbaren Zeitintervall, beispielsweise nach einigen Millisekunden, schließt die Steuereinrichtung 50 den zwischen den Anschlusskontakten 33 und 100 liegenden Schalter, wodurch die Spannungsquelle 110 an die Relaisspule 21 angelegt wird. In an sich bekannter Weise wird daraufhin der mechanischer Schalter 22 des Relais 20 geschlossen. Da im Schaltaugenblick der Laststrom nicht durch den mechanischen Schalter 22 des Relais 20, sondern durch das Halbleiterrelais 60 fließt, kann das Relais 20 nahezu lastlos und verschleißarm geschaltet werden. Darüber hinaus wirken sich Prelleffekte, die der mechanische Schalter 22 verursachen kann, nicht auf den Laststrom aus. Gleichzeitig wird mit dem Schließen des mechanischen Schalters 22 die Verlustleistung durch das Halbleiterrelais 60 deutlich reduziert.
Das Halbleiterrelais 60 kann im Betrieb geschlossen bleiben oder geöffnet werden. Zunächst sei der Fall angenommen, dass das Halbleiterrelais 60 während des Betriebes geschlossen bleibt. Soll nunmehr das Relais 20 ausgeschaltet werden, wird beispielsweise über den Anschlusskontakt 32 ein entsprechendes Ausschaltsignal an die Steuereinrichtung 50 angelegt. Unter Ansprechen auf das Ausschaltsignal öffnet die Steuereinrichtung 50 den zwischen den Anschlusskontakten 33 und 100 liegenden Schalter, wodurch der Steuerstromkreis 90 und als Folge davon der mechanische Schalter 22 geöffnet wird. Da das
Halbleiterrelais 60 im Schaltaugenblick als aktiver Bypass für den mechanischer Schalter 22 fungiert, kann der mechanische Schalter 22 wiederum nahezu lastlos und verschleißarm geöffnet werden. Nach einer gewissen Zeit, beispielsweise nach einigen Millisekunden, veranlasst die Steuereinrichtung 50 über den Basisanschluss 61 das Halbleiterrelais 60, in den sperrenden Zustand überzugehen, d. h. das Halbleiterrelais 60 wird geöffnet.
Für den Fall, dass das Halbleiterrelais 60 im Betrieb des Relais 20, also während der Laststromkreis 95 geschlossen ist, ausgeschaltet wird, sorgt die Steuereinrichtung 50 zunächst unter Ansprechen auf ein Ausschaltsignal dafür, dass das Halbleiterrelais 60 wieder eingeschaltet wird, d. h. in den leitenden Zustand übergeht. Sobald der über das Halbleiterrelais 60 realisierte Bypass wieder aktiv ist, sorgt die Steuereinrichtung 50 dafür, dass der zwischen den Anschlusskontakten 33 und 100 liegende Schalter geöffnet wird. Als Folge wird der mechanische Schalter 22 ebenfalls geöffnet. Da im Schaltaugenblick der Laststrom größtenteils über das Halbleiterrelais 60 geführt wird, kann wiederum der mechanische Schalter 22 nahezu lastlos und verschleißarm geschaltet werden.
Sofern induktive Lasten an das Relais 20 angeschlossen werden, kann eine im Adapter 30 implementierte Schutzschaltung Rückspannungen, die beim Schalten des
Relais entstehen, von dem Halbleiterrelais 60 fernhalten.
Das Relais 30 und der Relaissockel 40 können auch ohne Zwischenschaltung des Adapters 30 miteinander verbunden werden. Wenn die Situation es jedoch erfordert, kann zwischen den Relaissockel 40 und das Relais 30 der Adapter 35 geschaltet werden, so dass eine Hypridschaltung aus dem Halbleiterrelais 60 und dem Relais 20 entsteht.

Claims

Patentansprüche
1. Modulare Schaltungsanordnung (10) zum Schalten elektrischer Leistungen mit
- einem Relaissockel (40),
- einem Adapter (30, 35), der lösbar mit dem Relaissockel (40) verbindbar ist, wobei der Adapter (30, 35) ein Halbleiterrelais (60) und eine damit elektrisch verbundene Steuereinrichtung (50) aufweist, und
- einem Relais (20) , das lösbar, elektrisch und mechanisch mit dem Adapter (30) verbindbar ist, derart, dass im verbundenen Zustand das Halbleiterrelais (60) parallel zu einem mechanischen Schalter (22) des
Relais (20) geschaltet ist, wobei die Steuereinrichtung (50) das Relais (20) und das
Halbleiterrelais (60) zu unterschiedlichen Zeitpunkten ansteuern kann.
2. Modulare Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (30) wenigstens einen ersten Anschluss (31, 32) zum Anlegen eines Steuersignals an die Steuereinrichtung (50) und zweite Anschlüsse (33, 34, 36, 37) zum Anschließen des Relais (20) an das Halbleiterrelais (60) und an die Steuereinrichtung (50) aufweist, wobei im verbundenen Zustand der mechanische Schalter (22) des Relais (20) parallel an das Halbleiterrelais (60) angeschlossen ist.
3. Modulare Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch vierte Anschlüsse (35, 38) zum Anschalten einer Last (70) an das Relais (20) .
4. Modulare Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (30) eine Spannungsquelle enthält, welche über die Steuereinrichtung (50) an das Relais (20) anschaltbar ist.
5. Modulare Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Relaissockel (40) zum Anschließen einer Spannungsquelle (110) ausgebildet ist, und dass im verbundenen Zustand der Relaissockel (40) , der Adapter (30) und das Relais (20) elektrisch derart verbunden sind, dass die Spannungsquelle (110) mittels der Steuereinrichtung (50) an das Relais (20) anschließbar ist.
6. Modulare Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (50) unter Ansprechen auf ein erstes Steuersignal zu einem ersten Zeitpunkt das Halbleiterrelais (60) einschaltet und zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt das Relais (20) aktiviert.
7. Modulare Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (50) unter Ansprechen auf ein zweites Steuersignal das Relais (20) deaktiviert und zu einem späteren Zeitpunkt das Halbleiterrelais (60) ausschaltet.
8. Modulare Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterrelais (60) zu einem dritten Zeitpunkt ausgeschaltet wird und dass die Steuereinrichtung (50) unter Ansprechen auf ein zweites Steuersignal zunächst das Halbleiterrelais (60) wieder einschaltet, nach einem vorbestimmten Zeitintervall das Relais (20) deaktiviert und zu einem noch späteren Zeitpunkt das Halbleiterrelais (60) wieder ausschaltet.
9. Adapter (30), welcher zum Einsatz in einer modularen Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet und in einem Adaptergehäuse (120) angeordnet ist, mit einer ersten Einrichtung (80, 100,101) zum lösbaren
Verbinden mit einem Relaissockel (40) , einem Halbleiterrelais (60) und einer damit elektrisch verbundenen Steuereinrichtung (50) sowie einer zweiten Einrichtung (33, 34, 36, 37) zum lösbaren, elektrischen und mechanischen Verbinden mit einem Relais (20) .
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