WO2020052947A1 - Relaismodul - Google Patents

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WO2020052947A1
WO2020052947A1 PCT/EP2019/072694 EP2019072694W WO2020052947A1 WO 2020052947 A1 WO2020052947 A1 WO 2020052947A1 EP 2019072694 W EP2019072694 W EP 2019072694W WO 2020052947 A1 WO2020052947 A1 WO 2020052947A1
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WO
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relay
switching element
switching
relay module
circuit branch
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/072694
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Benk
Ralf Hoffmann
Christian Adam
Original Assignee
Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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Priority to JP2021514049A priority patent/JP7185768B2/ja
Priority to US17/274,733 priority patent/US20210313131A1/en
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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
    • 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
    • H01H47/22—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for supplying energising current for relay coil
    • H01H47/226—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for supplying energising current for relay coil for bistable relays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H3/02—Operating parts, i.e. for operating driving mechanism by a mechanical force external to the switch
    • H01H3/022—Emergency operating parts, e.g. for stop-switch in dangerous conditions
    • 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
    • H01H47/002—Monitoring or fail-safe circuits
    • H01H47/004—Monitoring or fail-safe circuits using plural redundant serial connected relay operated contacts in controlled circuit
    • H01H47/005—Safety control circuits therefor, e.g. chain of relays mutually monitoring each other

Definitions

  • the present invention relates to a relay module, in particular a
  • electromagnetic relay module and an arrangement with a
  • a known solution consists in assigning pulse width modulation (PWM) to the supply voltage and in this way reducing the coil current to an advantageous value for the desired period of time.
  • PWM pulse width modulation
  • microelectronic components and correspondingly complex switching architectures are required.
  • the PWM can also cause electromagnetic effects on the environment, which can be undesirable.
  • the disclosure is based on the knowledge that the above task is solved by a relay module that enables an increase in the
  • Total resistance of the relay module after the relays have been fully tightened in particular the relay coils of both relays of the relay module, with unchanged supply voltage, in particular constant and stable applied voltage, to reduce the coil current and thus to lower the relay power or the electrical power and thus the heat development or the heat loss power.
  • the task is performed by an electromagnetic
  • Relay module solved, with a first circuit branch having a first capacitor and a first relay connected in series with the first capacitor, a second circuit branch having a second capacitor and a second relay connected in series with the second capacitor, a switching element which between the is arranged first circuit branch and the second circuit branch and has a first switching state and a second switching state.
  • the first circuit branch and the second circuit branch are arranged in a parallel connection.
  • the switching element is designed in
  • Relay module can be defined in such a way that the first armature of the first relay and the second armature of the second relay are closed, that is to say both relays have pulled through completely.
  • the design of the present relay module with two interconnected relays enables the overall resistance of the relay module to be changed, in particular increased, by converting the circuit arrangement of the two relays from a parallel connection into a series connection of the relays.
  • the total resistance of the relay module is thus increased.
  • a reduced coil current in turn leads to a reduction in the magnetic flux through the respective relays and, associated therewith, to a reduction in the magnetic field in the respective relay.
  • the first and the second circuit branch are arranged in parallel and the first capacitor and the second capacitor are charged, are resistors of the first capacitor and the second capacitor for the
  • the first capacitor and the second capacitor are again such
  • the dimensioning can depend on the operating voltage, the coil resistance, i.e. the internal resistance, and the inductance. In this way, reaching the necessary flooding to achieve the working state of the
  • Relay module can be guaranteed.
  • the capacitors and components of the switching element can be designed in such a way that the switchover occurs without an additional switching pulse.
  • the holding value is typically 50%, conservative at 60% nominal voltage.
  • the switching element switches again from the second switching state to the first switching state.
  • a reduction in the heat development of the relays is achieved by reducing the flow and thus reducing the respective coil power of each relay.
  • a reduction in the development of heat is advantageous due to the low thermal capacity of the components.
  • the relay module has a stop position in which a first armature is attracted by the first relay and in which a position is drawn by the second relay second armature is attracted, and wherein the switching element is designed to change from the first switching state to the second switching state as soon as the
  • Relay module has taken the stop position
  • Tightening the anchors requires a higher flow, in particular an initial flow, than holding the anchors by the respective relay.
  • a higher power is necessary than to hold the anchors.
  • the flow through the coils of the relays can be reduced.
  • the switching time of the switching element can therefore be selected so that switching to the series connection of the relays takes place as soon as both anchors are attracted. The current is reduced at the same voltage due to the increased total resistance and the power used is therefore also reduced.
  • the first capacitor is formed in the first
  • the second capacitor is designed to provide the second relay with a second charging current in the first switching state of the switching element.
  • the first charging current is suitable for causing the first armature to be pulled and held
  • the second charging current is suitable for causing the second armature to be drawn and held.
  • the charging current of the capacitors can be sufficient to switch the relays. This means that the charging current of the capacitors is sufficient to provide the initial flow for the respective relay.
  • the capacitors can be used to set a switching time for the switching element, which switches when both armatures are attracted.
  • the relay module can be electrically connected to a voltage source which is set up to provide a constant voltage, the first circuit branch and the second circuit branch being connectable to the voltage source.
  • the voltage source can be a DC voltage source that provides a constant voltage.
  • the voltage can be, for example, 12V or 24V and thus operate both relays with a corresponding voltage value.
  • the voltage can also have other values.
  • the level of tension can vary from one Application of the relay module. Due to the voltage source, the current when switching to the series circuit can then be increased due to the then
  • the first capacitor provides the first charging current and the second capacitor provides the second charging current when the constant voltage is applied to the first circuit branch and to the second circuit branch.
  • the first capacitor and the second capacitor are charged when the constant voltage is applied.
  • the voltage across the capacitors increases.
  • the charging current decreases over time. However, the charging current is sufficient to switch the relays.
  • the first switching state of the switching element comprises a high resistance of the switching element in comparison to the resistance of the
  • a high resistance can limit a current flow through the switching element to such an extent that it can be neglected. If the resistance is reduced, a current flow through the switching element is allowed. This can be seen as a switching operation.
  • the switching element comprises a diode, the diode being set up to transition from the first switching state to the second switching state when a forward voltage of the diode is reached.
  • the switching element is designed here as a diode, which is operated when the two coils are connected in series in the flow direction or forward direction. Switching from parallel to series connection can be done by the
  • Voltage difference between the first circuit branch and the second circuit branch is at least equal to the forward voltage of the diode. This means that a voltage below the forward voltage corresponds to a first switching state and a voltage at the forward voltage or higher corresponds to the second switching state.
  • the forward voltage corresponds to the
  • Threshold voltage means the voltage which can be read in the diode characteristic diagram if the apparently straight part is extended to the x-axis.
  • the switching process of the switching element which converts the parallel connection of the first circuit branch and the second circuit branch into the series connection of the first relay and the second relay, begins as soon as the voltage difference between the first
  • Circuit branch and the second circuit branch at least the
  • the switching time is determined by the capacitance of the capacitors, i.e. the relay, with a fixed internal resistance and coil dimensions. of the first capacitor and the second capacitor.
  • the switching time results from the voltage difference in the central branch of the circuit. At the beginning, this is equal to the total voltage applied, with zero reactance of the capacitors.
  • the initially negative voltage between the first circuit branch and the second circuit branch is reduced in magnitude, that is to say towards zero. If the voltage becomes positive and greater than the forward voltage of the diode, the diode switches.
  • the switching element comprises at least one further diode and / or a series resistor in order to influence the time of the transition from the first switching state to the second switching state.
  • the switching time can be varied by a plurality of diodes in series and / or in combination with a series resistor to the diode between the first circuit branch and the second circuit branch. That is, the relay module can be adapted so that the switching element switches at a desired time, relative to the switching state of the relays. Due to the additional voltage drop across the diode and the resistor, the current in series connection of the coils can be further reduced. The heat losses can be reduced.
  • the Series resistor can change the diode current when the relay and the
  • Holding current i.e. limit the operating current of the relay module in the hold state.
  • the switching element comprises a transistor, in particular a bipolar transistor or a field effect transistor, i.e. a MOSFET.
  • the switching element is designed as a robust component with high switching accuracy and switching reliability.
  • the transistor is a PNP bipolar transistor, or an NPN bipolar transistor.
  • a PNP transistor can reduce the current in the series connection by half compared to the parallel connection. This effect can be enhanced with an NPN transistor and thus the current can be further reduced.
  • the transistor is a MOSFET transistor.
  • the transistor is de-energized during the switching process, so that the occurrence of power loss during the switching process on the switching element is avoided.
  • High blocking currents can be avoided and voltage peaks can be assessed more precisely by using blocking diodes.
  • the use of a MOSFET is more energy efficient than with another transistor, since no current flows to the control connection of the transistor. Voltage peaks on the coils when the transistor is switched off can also be avoided.
  • the transistor is preceded by an RC element and a voltage divider, a time constant being defined via the RC element and the voltage divider.
  • the switching time of the switching element can be matched to the point in time at which the armatures are fully pulled into the holding position, that is, by means of the time constant of the RC element Relay module has entered the holding state.
  • the RC element has a third resistor and a third capacitor.
  • the dimensions of the third resistor and the third capacitor are matched to the first capacitor and the second capacitor.
  • a point in time at which the stop position is reached can thus be determined over the duration of the charging of the first capacitor and the second capacitor.
  • Switching element can be reached with the time of fully tightening the armature in the holding position. This gives the technical advantage that voltage peaks at the second excitation coil are avoided.
  • the transistor is preceded by a controller, in particular a microcontroller, which is set up as a function of a measured current in the first circuit branch and / or the second
  • a switching point in time can also be adapted by a control, such as a microcontroller, for example in an operation by reprogramming or adjusting the control.
  • a control such as a microcontroller, for example in an operation by reprogramming or adjusting the control.
  • An external voltage pulse can be given from the controller to the transistor, which leads to switching.
  • the individual relay currents are measured, i.e. the currents through the relays.
  • the controller is set up to provide a switching voltage for switching the switching element when the measured current falls below a predetermined limit value, in particular a predetermined one
  • the charging current of the capacitors is monitored here. If it drops to a predetermined limit after a maximum, it can be assumed that the relays have successfully pulled the respective armature.
  • the charging current is also the current that flows through the respective coil in the first circuit branch or second circuit branch.
  • a first blocking diode is arranged between the first relay and the switching element in order to block a current flow from the switching element to the first relay and a second blocking diode is arranged between the second relay and the switching element in order to block a current flow from the second relay to block the switching element in order to limit a switch-off current.
  • the blocking diodes can undesirably prevent current flow through the relays.
  • a cut-off current can be limited here.
  • the relay module is a safety relay module to perform a safety-relevant function and the first relay and the second relay are redundant relays.
  • a safety-relevant function can be a function that affects the safety of a user.
  • a user can be in front of a
  • the object is achieved by an arrangement with an electromagnetic relay module of the type described above in an emergency stop switch or a protective door switch or a magnetic switch or with a light grid.
  • the safety of the respective component can be kept high and, in addition, the power of the relay module can be reduced as described above.
  • Fig. 1 is an equivalent circuit diagram of a relay module according to a
  • Fig. 2 is an equivalent circuit diagram of a relay module according to another
  • Fig. 3 is an equivalent circuit diagram of a relay module according to another
  • Embodiment; Fig. 4 is an equivalent circuit diagram of a relay module according to another
  • Fig. 5 is an equivalent circuit diagram of a relay module according to another
  • FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram of a relay module according to another
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of an arrangement with a relay module according to an exemplary embodiment.
  • Embodiments can be combined with one another, unless specifically stated otherwise.
  • FIG. 1 shows an equivalent circuit diagram of a relay module 100 according to one
  • the electromagnetic relay module 100 comprises a first relay 103 and a second relay 105.
  • the first relay 103 has a first internal resistance 107 and a first coil 109.
  • the first coil 109 is set up to generate a first magnetic field and to attract a first armature (not shown in the figures) through the first magnetic field.
  • the second relay 105 has a second internal resistance 11 1 and a second coil 1 13.
  • the second coil 1 13 is set up to generate a second magnetic field and through the second
  • Magnetic field to attract a second anchor also not shown in the figures. If the first armature is attracted, the first relay 103 is in a hold state. If the second armature is attracted, the second relay 105 is in a hold state. If the first armature and the second armature are both attracted at the same time, the relay module 100 is in a holding state.
  • the relay module 100 has a first capacitor 115 and a second
  • the first capacitor 115 is connected in series with the first relay 103.
  • the first capacitor 115 and the first relay 103 are arranged in a first circuit branch 119.
  • the second capacitor 117 is connected in series with the second relay 105.
  • the second capacitor 1 17 and the second relay 105 are arranged in a second circuit branch 121.
  • the first circuit branch 119 and the second circuit branch 121 are arranged parallel to one another.
  • the relay module 100 has a voltage source 123.
  • the voltage source 123 is a constant voltage source and is configured to output a constant voltage. That is, the voltage is regulated to a setpoint if
  • voltage source 123 provides a constant voltage of 12V.
  • voltage source 119 provides another constant voltage, for example 24V.
  • Voltage branch 121 are electrically connected to voltage source 123.
  • the first capacitor 115 and the second capacitor 117 are charged.
  • a first charging current flows through the first relay 103.
  • a second charging current flows through the second relay 103.
  • the first capacitor 115 is dimensioned such that the first charging current is suitable, a magnetic flooding of the first coil and so on
  • the second capacitor 115 is dimensioned such that the second charging current is suitable for causing a magnetic flooding of the second coil and thus a corresponding magnetic field which is suitable for fully attracting the second armature of the second relay 103 and thus the second relay 103 in to move the stop position.
  • Both capacitors 115, 117 are dimensioned such that the charging current is sufficient, one in the coils 109, 1 13 used
  • each of which generates a magnetic field to attract the corresponding anchor.
  • the relay module 100 has a switching element 125.
  • the switching element 125 is arranged between the first circuit branch 119 and the second circuit branch 121 such that the switching element 125 is arranged between the first relay 103 and the first capacitor 115 and between the second capacitor 119 and the second relay 105.
  • the switching element 125 has a first one
  • the switching element 125 In the first switching state of the switching element 125, the switching element 125 is open or high-resistance in order to prevent current flow from the first relay 103 to the second relay 105 through the switching element 125. Preventing this can be understood to mean that the current flow is interrupted or limited to such an extent that it can be neglected in the normal application of the relay module 100.
  • the first circuit branch 119 In the second switching state of the switching element 125, the first circuit branch 119 is electrically connected to the second circuit branch 121 by the switching element 125, so that an electrical current can flow through the switching element 125.
  • the switching element 125 is closed or has a low resistance.
  • the switching element 125 is set up to switch from the first switching state to the second switching state when the relay module 100 reaches the holding state, that is to say as soon as the first armature and the second armature are attracted.
  • the first capacitor 115 and the second capacitor 117 are high-impedance at the switching time of the switching element 125 and are not part of the series connection of the first relay 103 and the second relay 105. They thus ensure that a primary current path along the series connection of the first relay 103 and the second relay 105 runs.
  • the parallel connection of the first and second circuit branches 101, 102 is switched over to connect the first relay 103 and the second relay 105 in series, the total resistance of the first relay 103 and the second relay 105 is increased. This has a reduction in the coil currents, at constant voltage caused by the
  • the switching element 125 comprises a diode 201 and a series resistor 203 connected upstream of the diode 201. The time of the
  • Voltage difference between the first circuit branch 119 and the second circuit branch 121 can be coupled.
  • the switching element 125 accordingly switches as soon as the voltage difference between the first circuit branch 119 and the second circuit branch 121 corresponds to the forward voltage of the diode 201.
  • this includes
  • Switching element 125 a plurality of diodes connected in series.
  • the switching element 125 additionally comprises a plurality of series resistors connected in series.
  • the switching element 125 comprises a transistor 301.
  • the transistor 301 is a PNP bipolar transistor. In a further embodiment, it is a different transistor, in particular an NPN bipolar transistor.
  • the transistor 301 is connected via the base connection to a voltage divider 303, which comprises a first resistor 305 and a second resistor 307.
  • the transistor 301 is additionally connected to an RC element 309 via the base connection electrically connected, which comprises a third resistor 31 1 and a third capacitor 313 connected.
  • the switching time of the transistor 301 can be coordinated with the timing of the complete attraction of the first armature and the second armature, ie the dimensioning of the RC element 309 and the first resistor 305 and the second resistor 307 of the voltage divider 303
  • the switching time of the switching element 125 can be coupled, in particular coupled, to the reaching of the holding state of the relay module 100.
  • the first circuit branch 119 additionally has a first blocking diode 315 and the second circuit branch 121 has a second blocking diode 317.
  • the first blocking diode 315 and the second blocking diode 317 are arranged between the first relay 103 and the first capacitor 115 or the second capacitor 117 and the second relay 105 such that the first blocking diode 315 and the second blocking diode 317 form part of the series circuit with the first Relays 104 and the second relay 105 are when the transistor is in the conducting state and the switching element 103 is thus in the second switching state.
  • one or both blocking diodes 115, 117 can be omitted.
  • FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram of a relay module 400 according to a further exemplary embodiment.
  • the switching element 125 as described for FIG. 3, is the transistor 301.
  • the first circuit branch 119 has the first blocking diode 315 and the second circuit branch 121 has the second blocking diode 317.
  • a controller 401 in particular a microcontroller, is provided, which is connected to the base connection of the transistor 301 and is set up to transmit a switching signal to the via an output of the controller Base terminal of transistor 301 to send.
  • Switching element 125 i.e. the transistor 301, from the first switching state to the second switching state.
  • the circuit according to the exemplary embodiment shown in FIG. 4 comprises one
  • the current measuring device 403 does not include one current measuring resistor shown. In a further exemplary embodiment, the current is measured contactlessly using a current clamp.
  • the controller 401 If the measured current reaches a limit value stored in the controller, the controller 401 generates a control signal and sends the control signal via an output of the controller 401 to the transistor 301 in order to send the transistor 301
  • FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram of a relay module 500 according to a further exemplary embodiment.
  • the relay module 500 according to the exemplary embodiment from FIG.
  • the transistor 301 is a field effect transistor, in particular a metal oxide semiconductor field effect transistor, or MOSFET for short.
  • the voltage divider 303 and the RC element 309 are in this case connected to the gate connection of the MOSFET in order to adapt the switching instant of the switching element 125 to the transition of the relay module 100 into the holding state.
  • FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram of a relay module 600 according to a further exemplary embodiment.
  • the relay module 600 according to the exemplary embodiment from FIG.
  • the transistor 301 is a field effect transistor, in particular a metal oxide semiconductor field effect transistor, in short MOSFET.
  • the controller 401 is connected to the gate connection of the MOSFET in order to adapt the switching time of the switching element 125 to the transition of the relay module 100 into the holding state.
  • the arrangement 700 comprises the relay module 100 and an emergency stop switch 701.
  • one of the relay modules 200, 300, 400, 500 or 600 is installed.
  • another relay module 200, 300, 400, 500 or 600 is installed.
  • the exemplary embodiment comprises the arrangement 700, the relay module 100 and a protective door switch or a magnetic switch or a light grid.
  • the relay module 100 is arranged such that a safety-relevant function of the arrangement 700 can be fulfilled by the relay module 100.
  • the relay module 100 is actuated by the emergency stop switch 701 in order to interrupt a circuit 703.
  • Circuit 703 is only partially shown in FIG. 7 for reasons of clarity.
  • the circuit 703 can comprise further components in parts not shown or can be connected to machines.
  • the first relay 103 and the second relay 105 interrupt the circuit 703 redundantly. This ensures that the circuit 703 is interrupted even if one of the two relays 103, 105 malfunctions, such as a jamming armature.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Relaismodul (100) mit einem ersten Schaltungszweig (119), der einen ersten Kondensator (115) und ein zu dem ersten Kondensator (115) seriell verschaltetes erstes Relais (103) aufweist, einem zweiten Schaltungszweig (121), der einen zweiten Kondensator (117) und ein zu dem zweiten Kondensator (117) seriell verschaltetes zweites Relais (105) aufweist, einem Schaltelement (125), das zwischen dem ersten Schaltungszweig (119) und dem zweiten Schaltungszweig (121) angeordnet ist und einen ersten Schaltzustand und einen zweiten Schaltzustand aufweist. Im ersten Schaltzustand des Schaltelements (125) sind der erste Schaltungszweig (119) und der zweite Schaltungszweig (121) in einer Parallelschaltung angeordnet. Im zweiten Schaltzustand des Schaltelements (125) sind das erste Relais (103) und das zweite Relais (105) in einer Reihenschaltung angeordnet. Das Schaltelement (125) ist ausgebildet, im Einschaltvorgang des Relaismoduls (100) von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand zu wechseln, um den Gesamtwiderstand des Relaismoduls (100) zu erhöhen.

Description

Relaismodul
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Relaismodul, insbesondere ein
elektromagnetisches Relaismodul, und eine Anordnung mit einem
elektromagnetischen Relaismodul.
Bei elektromagnetischen Relais besteht das Problem der Erwärmung aufgrund hoher Spulenströme, die zum Anziehen des Ankers von einer geöffneten Stellung in eine Haltestellung, zum Schließen des Relais, benötigt werden. Zum Anziehen der Anker ist eine minimale Ansprechdurchflutung notwendig. Zum Halten der Anker in geschlossenem Zustand ist eine im Vergleich hierzu geringere Haltedurchflutung notwendig. Da zum Anziehen ein stärkeres Magnetfeld und damit eine größere magnetische Durchflutung der Erregerspule als zum Halten des Ankers in der Haltestellung benötigt wird, sind Lösungen wünschenswert, die magnetische
Durchflutung der Erregerspule nach Anziehen des Ankers in die Haltestellung und für den Zeitraum, in dem der Anker in der Haltestellung gehalten wird, herabzusetzen und somit die Leistung und folglich die Erwärmung des Relais, für den Zeitraum, in dem das Relais geschlossen gehalten wird, zu reduzieren. Eine bekannte Lösung besteht darin, die Versorgungsspannung mit einer Pulsweitenmodulation (PWM) zu belegen und hierüber den Spulenstrom für den gewünschten Zeitraum auf einen vorteilhaften Wert herabzusetzen. Für die PWM-Ansteuerung werden jedoch komplexe
mikroelektronische Bauteile und entsprechend komplexe Schaltarchitekturen benötigt. Auch können durch die PWM elektromagnetische Auswirkungen auf die Umwelt entstehen, die unerwünscht sein können.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept für ein Relaismodul bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der beiliegenden Figuren.
Die Offenbarung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe durch ein Relaismodul gelöst wird, das ermöglicht, über eine Steigerung des
Gesamtwiderstands des Relaismoduls nach dem vollständigen Anziehen der Relais, insbesondere der Relaisspulen beider Relais des Relaismoduls, bei unveränderter Versorgungsspannung, insbesondere konstanter und stabiler angelegter Spannung, den Spulenstrom zu verringern und damit die Relaisleistung beziehungsweise die elektrische Leistung und damit die Wärmeentwicklung bzw. die Wärmeverlustleistung herabzusetzen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein elektromagnetisches
Relaismodul gelöst, mit einem ersten Schaltungszweig, der einen ersten Kondensator und ein zu dem ersten Kondensator seriell verschaltetes erstes Relais aufweist, einem zweiten Schaltungszweig, der einen zweiten Kondensator und ein zu dem zweiten Kondensator seriell verschaltetes zweites Relais aufweist, einem Schaltelement, das zwischen dem ersten Schaltungszweig und dem zweiten Schaltungszweig angeordnet ist und einen ersten Schaltzustand und einen zweiten Schaltzustand aufweist. Im ersten Schaltzustand des Schaltelements sind der erste Schaltungszweig und der zweite Schaltungszweig in einer Parallelschaltung angeordnet. Im zweiten
Schaltzustand des Schaltelements sind das erste Relais und das zweite Relais in einer Reihenschaltung angeordnet. Das Schaltelement ist ausgebildet, im
Einschaltvorgang des Relaismoduls von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand zu wechseln, um den Gesamtwiderstand des Relaismoduls zu erhöhen.
Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass ein Relaismodul bereitgesellt werden kann, dessen Spulenleistung des ersten Relais bzw. zweiten Relais automatisch von einer Anzugsleistung, die erbracht werden muss, um jeweils den Anker aus einer geöffneten Stellung in die Haltestellung anzuziehen, auf eine geringere Halteleistung, die aufgebracht werden muss, um jeweils den Anker in der Haltestellung zu halten, herabgesetzt wird, sobald der erste Anker und der zweite Anker vollständig in die Haltestellung angezogen ist. Die Haltestellung des
Relaismoduls kann hierbei so definiert sein, dass der erste Anker des ersten Relais und der zweite Anker des zweiten Relais geschlossen sind, sprich beide Relais vollständig durchgezogen haben.
Die Ausbildung des vorliegenden Relaismoduls mit zwei miteinander verschalteten Relais ermöglicht mittels einer Überführung der Schaltungsanordnung der zwei Relais von einer Parallelschaltung in eine Reihenschaltung der Relais den Gesamtwiderstand des Relaismoduls zu verändern, insbesondere zu erhöhen.
Durch das Schalten der Parallelschaltung des ersten Schaltungszweigs und des zweiten Schaltungszweigs in die Reihenschaltung des ersten Relais und des zweiten Relais wird somit der Gesamtwiderstand des Relaismoduls, insbesondere einer Kombination des ersten Relais und des zweiten Relais, erhöht.
Bei unveränderter Versorgungsspannung führt die Erhöhung des Gesamtwiderstands der seriell verschalteten ersten Relais und zweiten Relais wiederum zu einer
Verringerung der durch das erste Relais und das zweite Relais fließenden
Spulenströme. Ein verringerter Spulenstrom führt wiederum zu einer Herabsetzung der magnetischen Durchflutung der jeweiligen Relais und damit verbunden zu einer Herabsetzung des Magnetfelds in dem jeweiligen Relais.
Aufgrund der Niederohmigkeit des ersten Kondensators und des zweiten
Kondensators für den Zeitabschnitt, in dem sich das Schaltelement im ersten
Schaltzustand befindet, der erste und der zweite Schaltungszweig parallel angeordnet sind und der erste Kondensator und der zweite Kondensator aufgeladen werden, sind Widerstände des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators für die
Bestimmung der Gesamtwiderstands für diesen Zeitraum vernachlässigbar.
Der erste Kondensator und der zweite Kondensator sind wiederum derart
dimensioniert, dass eine vollständige Aufladung des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators einem vollständigen Anziehen der Anker in die Haltestellung entspricht. Die Dimensionierung kann abhängig von der Betriebsspannung, dem Spulenwiderstand, d.h. dem Innenwiderstand, und der Induktivität sein. So kann ein Erreichen der nötigen Durchflutung zur Erreichung des Arbeitszustandes des
Relaismoduls gewährleistet werden. Die Kondensatoren und Bauelemente des Schaltelements können so ausgelegt sein, dass die Umschaltung ohne einen zusätzlichen Schaltimpuls hervorgeht. Der Haltewert liegt typ. bei 50%, konservativ bei 60% Nennspannung.
Wird die Spulenspannung wieder null, schaltet das Schaltelement wieder von dem zweiten Schaltzustand in den ersten Schaltzustand.
Über das Herabsetzen der Durchflutung und damit das Herabsetzen der jeweiligen Spulenleistung jedes Relais, wird eine Verringerung der Wärmeentwicklung der Relais erreicht. Speziell bei Bauteilen mit geringer Baugröße ist aufgrund der geringen Wärmekapazität der Bauteile eine Reduzierung der Wärmeentwicklung vorteilhaft.
In einer Ausführungsform weist das Relaismodul eine Haltestellung auf, in der durch das erste Relais ein erster Anker angezogen ist und in der durch das zweite Relais ein zweiter Anker angezogen ist, und wobei das Schaltelement ausgebildet ist, von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand zu wechseln, sobald das
Relaismodul die Haltestellung eingenommen hat
Das Anziehen der Anker erfordert eine höhere Durchflutung, insbesondere eine Anfangsdurchflutung, als das Festhalten der Anker durch das jeweilige Relais. Zum Anziehen der Anker ist also eine höhere Leistung notwendig, als zum Halten der Anker. Nach dem Anziehen der Anker kann als die Durchflutung der Spulen der Relais reduziert werden. Der Schaltzeitpunkt des Schaltelements kann daher so gewählt werden, dass das Umschalten auf die Reihenschaltung der Relais erfolgt, sobald beide Anker angezogen sind. Der Strom reduziert sich bei gleicher Spannung aufgrund des erhöhten Gesamtwiderstands und die verwendete Leistung wird daher ebenfalls reduziert.
In einer Ausführungsform ist der erste Kondensator ausgebildet ist, im ersten
Schaltzustand des Schaltelements dem ersten Relais einen ersten Ladestrom bereitzustellen. Der zweite Kondensator ist ausgebildet, im ersten Schaltzustand des Schaltelements dem zweiten Relais einen zweiten Ladestrom bereitzustellen. Der erste Ladestrom ist geeignet, ein Anziehen und Halten des ersten Ankers zu bewirken und der zweite Ladestrom ist geeignet, ein Anziehen und Halten des zweiten Ankers zu bewirken.
Der Ladestrom der Kondensatoren kann ausreichen, um die Relais zu schalten. Das heißt, der Ladestrom der Kondensatoren reicht aus, um die Anfangsdurchflutung für das jeweilige Relais bereitzustellen. Durch die Kondensatoren lässt sich so ein Schaltzeitpunkt für das Schaltelement einstellen, das dann schaltet, wenn beide Anker angezogen sind.
In einer Ausführungsform ist das Relaismodul elektrisch mit einer Spannungsquelle verbindbar, die eingerichtet ist, eine konstante Spannung bereitzustellen, wobei der erste Schaltungszweig und der zweite Schaltungszweig an die Spannungsquelle anschließbar sind.
Die Spannungsquelle kann eine Gleichspannungsquelle sein, die eine konstante Spannung bereitstellt. Die Spannung kann beispielsweise 12V oder 24V betragen und so beide Relais mit einem entsprechenden Spannungswert betreiben. Die Spannung kann auch andere Werte aufweisen. Die Höhe der Spannung kann von einer Anwendung des Relaismoduls abhängig sein. Durch die Spannungsquelle kann der Strom beim Umschalten in die Reihenschaltung aufgrund des dann erhöhten
Gesamtwiderstands reduziert werden.
In einer Ausführungsform stellen der erste Kondensator den ersten Ladestrom und der zweite Kondensator den zweiten Ladestrom bereit, wenn die konstante Spannung an den ersten Schaltungszweig und an den zweiten Schaltungszweig angelegt wird.
Der erste Kondensator und der zweite Kondensator werden beim Anlegen der konstanten Spannung geladen. Die Spannung an den Kondensatoren nimmt hierbei zu. Der Ladestrom nimmt mit der zeit ab. Der Ladestrom reicht jedoch aus, die Relais zu schalten.
In einer Ausführungsform umfasst der erste Schaltzustand des Schaltelements einen hohen Widerstand des Schaltelements im Vergleich zu dem Widerstand des
Schaltelements im zweiten Schaltzustand umfasst und der zweite Schaltzustand des Schaltelements einen geringen Widerstand des Schaltelements im Vergleich zu dem Widerstand des Schaltelements im ersten Schaltzustand.
Ein hoher Widerstand kann einen Stromfluss durch das Schaltelement so weit begrenzen, dass dieser vernachlässigt werden kann. Wird der Widerstand reduziert, wird ein Stromfluss durch das Schaltelement erlaubt. Dies kann als Schaltvorgang angesehen werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Schaltelement eine Diode, wobei die Diode eingerichtet ist, bei Erreichen einer Durchlassspannung der Diode von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand überzugehen.
Das Schaltelement ist hier als Diode ausgeführt, welche bei Reihenschaltung der beiden Spulen in Durchflussrichtung bzw. Durchlassrichtung betrieben wird. Dabei kann das Umschalten von Parallel- auf Reihenschaltung durch den
Spannungsunterschied zwischen dem ersten Schaltungszweig und dem zweiten Schaltungszweig erfolgen. Dieser ist dabei mindestens gleich der Durchlassspannung der Diode. D.h., dass eine Spannung unterhalb der Durchlassspannung einem ersten Schaltzustand und eine Spannung in Höhe der Durchlassspannung oder höher dem zweiten Schaltzustand entspricht. Die Durchlassspannung entspricht der
Schwellspannung. Insbesondere meint der Begriff Durchlassspannung die Spannung, die im Dioden-Kennlinien-Diagramm abgelesen werden kann, wenn der scheinbar geradlinige Teil bis zur x-Achse verlängert wird.
Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass das Schaltelement einfach fertigbar ist und der Schaltvorgang automatisch abläuft. Dabei setzt der Schaltvorgang des Schaltelements, der die Parallelschaltung des ersten Schaltungszweigs und des zweiten Schaltungszweigs in die Reihenschaltung des ersten Relais und des zweiten Relais überführt, ein, sobald der Spannungsunterschied zwischen dem ersten
Schaltungszweig und dem zweiten Schaltungszweig mindestens der
Durchlassspannung der Diode entspricht. Darüber hinaus kann durch den
zusätzlichen Spannungsabfall über der Diode und dem Vorwiderstand des
Schaltelements im Schaltungszweig zwischen dem ersten Schaltungszweig und dem zweiten Schaltungszweig der Strom in der Reihenschaltung des ersten Relais und des zweiten Relais weiter reduziert werden, sodass die Wärmeverluste durch die ersten und zweiten Erregerspulen ebenfalls verringert werden können.
Bei Verwendung einer Diode als Schaltelement wird bei festem Innenwiderstand und Spulendimensionierung der Relais der Schaltzeitpunkt durch die Kapazität der Kondensatoren, d.h. des ersten Kondensator und des zweiten Kondensators, bestimmt. Der Schaltzeitpunkt ergibt sich aus der Spannungsdifferenz im Mittelzweig der Schaltung. Zu Beginn ist diese gleich der angelegten Gesamtspannung, bei einem Blindwiderstand der Kondensatoren von Null. Durch Aufladen der Kondensatoren wird die zunächst negative Spannung zwischen erstem Schaltungszweig und zweitem Schaltungszweig vom Betrag her geringer, also gegen Null. Wird die Spannung positiv und größer, als die Durchlassspannung der Diode, schaltet die Diode.
In einer Ausführungsform umfasst das Schaltelement wenigstens eine weitere Diode und/oder einen Vorwiderstand, um den Zeitpunkt des Übergangs von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand zu beeinflussen.
Durch mehrere Dioden in Reihe und/oder in Kombination mit einem Vorwiderstand zu der Diode zwischen dem ersten Schaltungszweig und dem zweiten Schaltungszweig kann der Schaltzeitpunkt variiert werden. Das heißt, das Relaismodul kann so angepasst werden, dass das Schaltelement zu einem gewünschten Zeitpunkt schaltet, relativ zu dem Schaltzustand der Relais. Durch den zusätzlichen Spannungsabfall über der Diode und dem Widerstand, kann der Strom in Reihenschaltung der Spulen weiter reduziert werden. Die Wärmeverluste können verringert werden. Der Vorwiderstand kann den Diodenstrom beim Abschalten der Relais und den
Haltestrom, d.h. den Betriebsstrom des Relaismoduls im Haltezustand begrenzen.
In einer Ausführungsform umfasst das Schaltelement einen Transistor, insbesondere einen Bipolartransistor oder einen Feldeffekttransistor, d.h. einen MOSFET.
Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass das Schaltelement als ein robustes Bauteil mit einer hohen Schaltgenauigkeit und Schaltverlässlichkeit ausgebildet ist.
In einer Ausführungsform ist der Transistor ein PNP-Bipolar-Transistor, oder ein NPN- Bipolar-Transistor.
Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass nach Abschluss des
Schaltvorgangs in der Reihenschaltung der ersten und zweiten Erregerspulen ein geringer Erregerstrom fließt. Durch einen PNP-Transistor kann sich der Strom in der Reihenschaltung auf die Hälfte reduzieren, im Vergleich zur Parallelschaltung. Dieser Effekt kann mit einem NPN-transistor noch verstärkt und somit der Strom weiter reduziert werden.
In einer Ausführungsform ist der Transistor ein MOSFET-Transistor.
Darüber hinaus ist der Transistor während des Schaltvorgangs stromlos, sodass das Auftreten einer Verlustleistung während des Schaltvorgangs am Schaltelement vermieden wird. Durch die Verwendung von Sperrdioden können hohe Abschaltströme vermieden und Spannungsspitzen genauer beurteilt werden. Die Verwendung eines MOSFET ist energiesparender als bei einem anderen Transistor, da kein Strom zum Steueranschluss des Transistors fließt. Auch können Spannungsspitzen an dem Spulen beim Abschalten des Transistors vermieden werden.
In einer Ausführungsform sind dem Transistor ein RC-Glied und ein Spannungsteiler vorgeschaltet, wobei über das RC-Glied und den Spannungsteiler eine Zeitkonstante definiert ist.
Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass mittels der Zeitkonstante des RC- Glieds der Schaltzeitpunkt des Schaltelements auf den Zeitpunkt abgestimmt werden kann, zu dem die Anker vollständig in die Haltestellung angezogen sind, d.h. das Relaismodul den Haltezustand eingenommen hat. Hierzu weist das RC-Glied einen dritten Widerstand und einen dritten Kondensator auf. Der dritte Widerstand und der dritte Kondensator sind hierbei in ihrer Dimensionierung auf den ersten Kondensator und den zweiten Kondensator abgestimmt. Über die Zeitdauer der Aufladung des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators kann somit ein Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem der Haltestellung erreicht ist. Über die Abstimmung der Dimensionierung des RC-Glieds im Hinblick auf das Verhältnis der Zeitkonstante des RC-Glieds zu der Zeitdauer der Aufladung des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators kann folglich eine Abstimmung des Schaltzeitpunkts des
Schaltelements mit dem Zeitpunkt des vollständigen Anziehens der Anker in der Haltestellung erreicht werden. Hierdurch wir der technische Vorteil erreicht, dass Spannungsspitzen an der zweiten Erregerspule vermieden werden.
In einer Ausführungsform ist dem Transistor eine Steuerung, insbesondere ein Mikrocontroller, vorgeschaltet ist, der eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines gemessenen Stroms in dem ersten Schaltungszweig und/oder dem zweiten
Schaltungszweig einen Schaltzeitpunkt des Transistors zu bestimmen.
Durch eine Steuerung, wie einen Mikrocontroller, kann auch zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise in einem Betrieb durch Umprogrammieren oder Einstellen der Steuerung ein Schaltzeitpunkt angepasst werden. Hierbei kann ein externer Spannungsimpuls von der Steuerung an den Transistor gegeben, der zum Schalten führt. Es werden die einzelnen Relaisströme gemessen, also die Ströme durch die Relais.
In einer Ausführungsform ist die Steuerung eingerichtet, eine Schaltspannung zum Schalten des Schaltelements bereitzustellen, wenn der gemessene Strom einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet, insbesondere einen vorbestimmten
Grenzwert in dem ersten Schaltungszweig bzw. dem zweiten Schaltungszweig unterschreitet.
Hierbei wird der Ladestrom der Kondensatoren überwacht. Sinkt dieser nach einem Maximum auf den vorgegebenen Grenzwert, kann davon ausgegangen werden, dass die Relais erfolgreich den jeweiligen Anker angezogen haben. Der Ladestrom ist auch gleichzeitig der Strom, der durch die jeweilige Spule im ersten Schaltungszweig bzw. zweiten Schaltungszweig fließt. In einer Ausführungsform ist eine erste Sperrdiode zwischen dem ersten Relais und dem Schaltelement angeordnet, um einen Stromfluss von dem Schaltelement zu dem ersten Relais zu sperren und eine zweite Sperrdiode zwischen dem zweiten Relais und dem Schaltelement angeordnet ist, um einen Stromfluss von dem zweiten Relais zu dem Schaltelement zu sperren, um einen Abschaltstrom zu begrenzen.
Durch die Sperrdioden kann unerwünschter ein Stromfluss in durch die Relais verhindert werden. Insbesondere kann hierbei ein Abschaltstrom begrenzt werden.
In einer Ausführungsform ist das Relaismodul ein Sicherheitsrelaismodul ist, um eine sicherheitsrelevante Funktion zu erfüllen und wobei das erste Relais und das zweite Relais redundante Relais sind.
Eine sicherheitsrelevante Funktion kann eine Funktion sein, bei der auf die Sicherheit eines Benutzers ein gewirkt wird. Beispielsweise kann ein Benutzer vor einem
Stromschlag geschützt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe durch eine Anordnung mit einem elektromagnetischen Relaismodul der oben beschriebenen Art in einem Not-Halt- Schalter oder einem Schutztürschalter oder einem Magnetschalter oder mit einem Lichtgitter gelöst.
Hierdurch kann die Sicherheit des jeweiligen Bauteils hoch gehalten werden und zusätzlich die Leistung des Relaismoduls wie oben beschrieben reduziert werden.
Weitere Ausführungsbeispiele werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ersatzschaltbild eines Relaismoduls gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild eines Relaismoduls gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild eines Relaismoduls gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel; Fig. 4 ein Ersatzschaltbild eines Relaismoduls gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 ein Ersatzschaltbild eines Relaismoduls gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 ein Ersatzschaltbild eines Relaismoduls gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel; und Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem Relaismodul gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche
Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen
Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
Die Aspekte und Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich im Allgemeinen auf gleiche Elemente beziehen.
Fig. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Relaismoduls 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel. Das elektromagnetische Relaismodul 100 umfasst ein erstes Relais 103 und ein zweites Relais 105. Das erste Relais 103 weist einen ersten Innenwiderstand 107 und eine erste Spule 109 auf. Die erste Spule 109 ist eingerichtet, ein erstes Magnetfeld zu erzeugen und durch das erste Magnetfeld einen ersten Anker (in den Fig. nicht dargestellt) anzuziehen. Das zweite Relais 105 weist einen zweiten Innenwiderstand 11 1 und eine zweite Spule 1 13 auf. Die zweite Spule 1 13 ist eingerichtet, ein zweites Magnetfeld zu erzeugen und durch das zweite
Magnetfeld einen zweiten Anker (in den Fig. ebenfalls nicht dargestellt) anzuziehen. Ist der erste Anker angezogen, so befindet sich das erste Relais 103 in einem Haltezustand. Ist der zweite Anker angezogen, so befindet sich das zweite Relais 105 in einem Haltezustand. Sind der erste Anker und der zweite Anker beide zur gleichen Zeit angezogen, so befindet sich das Relaismodul 100 in einem Haltezustand.
Das Relaismodul 100 weist einen ersten Kondensator 1 15 und einen zweiten
Kondensator 117 auf. Der erste Kondensator 115 ist in Reihe zu dem ersten Relais 103 geschaltet. Der erste Kondensator 1 15 und das erste Relais 103 sind in einem ersten Schaltungszweig 119 angeordnet. Der zweite Kondensator 117 ist in Reihe zu dem zweiten Relais 105 geschaltet. Der zweite Kondensator 1 17 und das zweite Relais 105 sind in einem zweiten Schaltungszweig 121 angeordnet. Der erste Schaltungszweig 119 und der zweite Schaltungszweig 121 sind parallel zueinander angeordnet.
Das Relaismodul 100 weist eine Spanungsquelle 123 auf. Die Spannungsquelle 123 ist eine Konstantspannungsquelle und eingerichtet eine konstante Spannung auszugeben. Das heißt, die Spannung wird auf einen Sollwert geregelt, falls
Schwankungen in der bereitgestellten Spannung auftreten. Beispielsweise stellt die Spannungsquelle 123 eine konstante Spannung von 12V bereit. In einem weiteren Ausführungsbeispiel stellt die Spannungsquelle 119 eine andere konstante Spannung bereit, beispielsweise 24V. Der erste Spannungszweig 119 und der zweite
Spannungszweig 121 sind elektrisch mit der Spannungsquelle 123 verbunden.
Durch Anlegen der konstanten Spannung durch die Spannungsquelle 123 wird ein Aufladen des ersten Kondensators 115 und des zweiten Kondensators 117 bewirkt. Durch das Aufladen des ersten Kondensators 1 15 fließt ein erster Ladestrom durch das erste Relais 103. Durch das Aufladen des zweiten Kondensators 115 fließt ein zweiter Ladestrom durch das zweite Relais 103.
Der erste Kondensator 1 15 ist derart dimensioniert, dass der erste Ladestrom geeignet ist, eine magnetische Durchflutung der ersten Spule und so ein
entsprechendes Magnetfeld zu bewirken, das geeignet ist, den ersten Anker des ersten Relais 103 vollständig anzuziehen und so das erste Relais 103 in die
Haltestellung zu versetzen. Der zweite Kondensator 115 ist derart dimensioniert, dass der zweite Ladestrom geeignet ist, eine magnetische Durchflutung der zweiten Spule und so ein entsprechendes Magnetfeld zu bewirken, das geeignet ist, den zweiten Anker des zweiten Relais 103 vollständig anzuziehen und so das zweite Relais 103 in die Haltestellung zu versetzen. Beide Kondensatoren 115, 117 sind so dimensioniert, dass der Ladestrom ausreicht, bei den verwendeten Spulen 109, 1 13 eine
Anfangsdurchflutung zu erreichen, die jeweils ein Magnetfeld erzeugt, um den entsprechenden Anker anzuziehen.
Das Relaismodul 100 weist ein Schaltelement 125 auf. Das Schaltelement 125 ist zwischen dem ersten Schaltungszweig 119 und dem zweiten Schaltungszweig 121 derart angeordnet, dass das Schaltelement 125 zwischen dem ersten Relais 103 und dem ersten Kondensator 1 15 und zwischen dem zweiten Kondensator 1 19 und dem zweiten Relais 105 angeordnet ist. Das Schaltelement 125 weist einen ersten
Schaltzustand und einen zweiten Schaltzustand auf.
In dem ersten Schaltzustand des Schaltelements 125 ist das Schaltelement 125 geöffnet bzw. hochohmig, um einen Stromfluss von dem ersten Relais 103 zu dem zweiten Relais 105 durch das Schaltelement 125 zu unterbinden. Unterbinden kann hierbei so verstanden werden, dass der Stromfluss unterbrochen oder so stark begrenzt wird, dass er im Rahmen der üblichen Anwendung des Relaismoduls 100 zu vernachlässigen ist. In dem zweiten Schaltzustand des Schaltelements 125 ist der erste Schaltungszweig 1 19 elektrisch mit dem zweiten Schaltungszweig 121 durch das Schaltelement 125 verbunden, sodass ein elektrischer Strom durch das Schaltelement 125 fließen kann. Herbei ist das Schaltelement 125 geschlossen, bzw. niederohmig.
Mit Schalten des Schaltelements 125 in den zweiten Schaltungszustand wird die Parallelschaltung der ersten und zweiten Schaltungszweige 101 , 102 in eine
Reihenschaltung des ersten und zweiten Relais 103, 105 geschaltet. Das heißt, durch das Schaltelement 125 sind in dem zweiten Schaltzustand des Schaltelements 125 das erste Relais 103 und das zweite Relais 105 elektrisch in Reihe geschaltet.
Das Schaltelement 125 ist eingerichtet, von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand zu schalten, wenn das Relaismodul 100 den Haltezustand erreicht, das heißt, sobald der erste Anker und der zweite Anker angezogen sind.
Der erste Kondensator 115 und der zweite Kondensator 117 sind zum Schaltzeitpunkt des Schaltelements 125 hochohmig und nicht Teil der Reihenschaltung des ersten Relais 103 und des zweiten Relais 105. Somit gewährleisten sie, dass ein primärer Strompfad entlang der Reihenschaltung des ersten Relais 103 und des zweiten Relais 105 verläuft. Mit Umschalten der Parallelschaltung der ersten und zweiten Schaltungszweige 101 , 102 zur Reihenschaltung des ersten Relais 103 und des zweiten Relais 105 ist der Gesamtwiderstand des ersten Relais 103 und des zweiten Relais 105 erhöht. Dies hat eine Verringerung der Spulenströme, bei konstanter Spannung, die durch die
Spannungsquelle gewährleistet wird, und eine damit verbundene Verringerung der magnetischen Durchflutung und der Magnetfelder des ersten Relais 103 und des zweiten Relais 105 zur Folge, wodurch die Verlustleistung des Relaismoduls 100 reduziert werden kann.
In Fig. 2 ist ein Ersatzschaltbild eines Relaismoduls 200 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Hierbei umfasst das Schaltelement 125 eine Diode 201 und einen der Diode 201 seriell vorgeschalteten Vorwiderstand 203. Mittels der Diode 201 und dem seriell vorgeschalteten Vorwiderstand 203 ist der Zeitpunkt des
Schaltvorgangs des Schaltelements 125, bei dem die Parallelschaltung des ersten Schaltungszweigs 119 und des zweiten Schaltungszweigs 121 in die Reihenschaltung des ersten Relais 103 und des zweiten Relais 105 überführt wird, an den
Spannungsunterschied zwischen dem ersten Schaltungszweig 119 und dem zweiten Schaltungszweig 121 koppelbar. Das Schaltelement 125 schaltet demnach sobald der Spannungsunterschied zwischen dem ersten Schaltungszweig 119 und dem zweiten Schaltungszweig 121 der Durchlassspannung der Diode 201 entspricht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel (in den Fig. nicht gezeigt) umfasst das
Schaltelement 125 eine Mehrzahl seriell verschalteter Dioden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Schaltelement 125 zusätzlich eine Mehrzahl seriell vorgeschalteter Vorwiderstände. Hierdurch kann der Zeitpunkt des Schaltvorgangs des Schaltelements 125 im Vergleich zu der Schaltung mit lediglich einer Diode 201 und einem Vorwiderstand 203 verändert werden.
In Fig. 3 ist ein Ersatzschaltbild eines Relaismoduls 300 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Hierbei umfasst das Schaltelement 125 einen Transistor 301. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Transistor 301 ein PNP- Bipolartransistor. In einem weiteren Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen anderen Transistor, insbesondere einen NPN-Bipolartransistor.
Der Transistor 301 ist über den Basisanschluss mit einem Spannungsteiler 303, der einen ersten Widerstand 305 und einen zweiten Widerstand 307 umfasst. Der Transistor 301 ist zusätzlich über den Basisanschluss mit einem RC-Glied 309 elektrisch verbunden, das einen dritten Widerstand 31 1 und einen dritten Kondensator 313 umfasst, verbunden. Über die Dimensionierung des RC-Glieds 309 und des ersten Widerstands 305 und des zweiten Widerstands 307 des Spannungsteilers 303 ist der Schaltzeitpunkt des Transistors 301 mit dem Zeitpunkt des vollständigen Anziehens des ersten Ankers und des zweiten Ankers abstimmbar, d.h. der
Schaltzeitpunkt des Schaltelements 125 ist an das Erreichen des Haltezustands des Relaismoduls 100 koppelbar, insbesondere gekoppelt.
Im in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen der erste Schaltungszweig 1 19 zusätzlich eine erste Sperrdiode 315 und der zweite Schaltungszweig 121 eine zweite Sperrdiode 317 auf. Die erste Sperrdiode 315 und die zweite Sperrdiode 317 sind derart zwischen dem ersten Relais 103 und dem ersten Kondensator 115 bzw. dem zweiten Kondensator 117 und dem zweiten Relais 105 angeordnet, dass die erste Sperrdiode 315 und die zweite Sperrdiode 317 Teile der Reihenschaltung mit dem ersten Relais 104 und dem zweiten Relais 105 sind, wenn sich der Transistor im leitenden Zustand und das Schaltelement 103 sich damit im zweiten Schaltzustand befindet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können eine oder beide Sperrdioden 1 15, 117 entfallen.
In Fig. 4 ist ein Ersatzschaltbild eines Relaismoduls 400 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Hierbei ist das Schaltelement 125, wie zu Fig. 3 beschrieben der T ransistor 301. Ebenso weisen der erste Schaltungszweig 119 die erste Sperrdiode 315 und der zweite Schaltungszweig 121 die zweite Sperrdiode 317 auf.
Jedoch ist anstatt des Spannungsteilers 303 und des RC-Glieds 309 zur Steuerung des Schaltzeitpunktes des Transistors 301 eine Steuerung 401 , insbesondere ein Mikrocontroller vorgesehen, der mit dem Basisanschluss des Transistors 301 verbunden ist und eingerichtet ist, über einen Ausgang der Steuerung ein Schaltsignal an den Basisanschluss des Transistors 301 zu senden. Hierdurch kann das
Schaltelement 125, d.h. der Transistor 301 , von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand überführt werden.
Zur Bestimmung des Zeitpunkts zur Umschaltung des Schaltelements 125 umfasst die Schaltung gemäß dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel eine
Strommesseinrichtung 403. Die Strommesseinrichtung 403 umfasst einen nicht dargestellten Strommesswiderstand. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Strom kontaktlos mittels einer Strommesszange gemessen.
Erreicht der gemessene Strom einen in der Steuerung hinterlegten Grenzwert, so erzeugt die Steuerung 401 ein Steuersignal und sendet das Steuersignal über einen Ausgang der Steuerung 401 an den Transistor 301 , um den Transistor 301 zu
Schalten und das Schaltelement 125 so von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand zu versetzen.
Fig. 5 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Relaismoduls 500 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das Relaismodul 500 gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig.
5 entspricht dem Relaismodul 300 des Ausführungsbeispiels von Fig. 3. Jedoch ist der Transistor 301 ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein Metall-Oxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor, kurz MOSFET.
Der Spannungsteiler 303 und das RC-Glied 309 sind hierbei an den Gate-Anschluss des MOSFETs angeschlossen, um den Schaltzeitpunkt des Schaltelements 125 an den Übergang des Relaismoduls 100 in den Haltezustand anzupassen.
Fig. 6 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Relaismoduls 600 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das Relaismodul 600 gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig.
6 entspricht dem Relaismodul 400 des Ausführungsbeispiels von Fig. 4. Jedoch ist der Transistor 301 ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein Metall-Oxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor, kurz MOSFET.
Die Steuerung 401 ist hierbei an den Gate-Anschluss des MOSFETs angeschlossen, um den Schaltzeitpunkt des Schaltelements 125 an den Übergang des Relaismoduls 100 in den Haltezustand anzupassen.
Fig. 7 zeigt eine Anordnung 700. Die Anordnung 700 umfasst das Relaismodul 100 und einen Not-Halt-Schalter 701. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eines der Relaismodule 200, 300, 400, 500 oder 600 verbaut. In einem weiteren
Ausführungsbeispiel umfasst die Anordnung 700 das Relaismodul 100 und einen Schutztürschalter oder einen Magnetschalter oder ein Lichtgitter.
Das Relaismodul 100 ist so angeordnet, dass durch das Relaismodul 100 eine sicherheitsrelevante Funktion der Anordnung 700 erfüllt werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird durch den Not-Halt-Schalter 701 das Relaismodul 100 betätigt, um einen Stromkreis 703 zu unterbrechen. Der Stromkreis 703 ist in Fig. 7 aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich teilweise dargestellt. Insbesondere kann der Stromkreis 703 in nicht dargestellten Teilen weitere Bauelemente umfassen oder an Maschinen angeschlossen sein. Hierbei unterbrechen das erste Relais 103 und das zweite Relais 105 den Stromkreis 703 redundant. Somit ist auch dann ein Unterbrechen des Stromkreises 703 gewährleistet, sollte eines der beiden Relais 103, 105 eine Fehlfunktion aufweisen, wie beispielsweise einen klemmenden Anker.
Bezugszeichenliste
100, 200, 300 Relaismodul
400, 500, 600 Relaismodul
103 erstes Relais
105 zweites Relais
107 erster Innenwiderstand 109 erste Spule
1 1 1 zweiter Innenwiderstand 113 zweite Spule
115 erster Kondensator 117 zweiter Kondensator 119 erster Schaltungszweig 121 zweiter Schaltungszweig 123 Spannungsquelle 125 Schaltelement
201 Diode
203 Vorwiderstand
301 Transistor
303 Spannungsteiler 305 erster Widerstand 307 zweiter Widerstand 309 RC-Glied
31 1 dritter Widerstand 313 dritter Kondensator 315 erste Sperrdiode 317 zweite Sperrdiode 401 Steuerung
403 Strommesseinrichtung 700 Anordnung
701 Not-Halt-Schalter 703 Stromkreis

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Elektromagnetisches Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600), mit: einem ersten Schaltungszweig (119), der einen ersten Kondensator (115) und ein zu dem ersten Kondensator (115) seriell verschaltetes erstes Relais (103) aufweist, einem zweiten Schaltungszweig (121 ), der einen zweiten Kondensator (1 17) und ein zu dem zweiten Kondensator (117) seriell verschaltetes zweites Relais (105) aufweist, einem Schaltelement (125), das zwischen dem ersten Schaltungszweig (119) und dem zweiten Schaltungszweig (121 ) angeordnet ist und einen ersten Schaltzustand und einen zweiten Schaltzustand aufweist, wobei im ersten Schaltzustand des Schaltelements (125) der erste Schaltungszweig (1 19) und der zweite Schaltungszweig (121 ) in einer Parallelschaltung angeordnet sind, und wobei im zweiten Schaltzustand des Schaltelements (125) das erste Relais (103) und das zweite Relais (105) in einer Reihenschaltung angeordnet sind, und wobei das Schaltelement (125) ausgebildet ist, im Einschaltvorgang des Relaismoduls (100, 200, 300, 400, 500, 600) von dem ersten Schaltzustand in den zweiten
Schaltzustand zu wechseln, um den Gesamtwiderstand des Relaismoduls (100, 200, 300, 400, 500, 600) zu erhöhen.
2. Elektromagnetisches Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 1 , wobei das Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) eine Haltestellung aufweist, in der durch das erste Relais (103) ein erster Anker angezogen ist und in der durch das zweite Relais (105) ein zweiter Anker angezogen ist, und wobei das Schaltelement (125) ausgebildet ist, von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand zu wechseln, sobald das Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) die Haltestellung eingenommen hat.
3. Elektromagnetisches Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 2, wobei der erste Kondensator (1 15) ausgebildet ist, im ersten
Schaltzustand des Schaltelements (125) dem ersten Relais (103) einen ersten Ladestrom bereitzustellen und der zweite Kondensator (117) ausgebildet ist, im ersten Schaltzustand des Schaltelements (125) dem zweiten Relais (105) einen zweiten Ladestrom bereitzustellen, wobei der erste Ladestrom geeignet ist, ein Anziehen und Halten des ersten Ankers zu bewirken und wobei der zweite Ladestrom geeignet ist, ein Anziehen und Halten des zweiten Ankers zu bewirken.
4. Elektromagnetisches Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500,
600) mit einer Spannungsquelle (123) verbindbar ist, die eingerichtet ist, eine konstante Spannung bereitzustellen, wobei der erste Schaltungszweig (1 19) und der zweite Schaltungszweig (121 ) an die Spannungsquelle (123) anschließbar sind.
5. Elektromagnetisches Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach den Ansprüchen 3 und 4, wobei der erste Kondensator (1 15) den ersten Ladestrom bereitstellt und der zweite Kondensator (1 17) den zweiten Ladestrom bereitstellt, wenn die konstante Spannung an den ersten Schaltungszweig (1 19) und an den zweiten Schaltungszweig (121 ) angelegt ist.
6. Elektromagnetisches Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Schaltzustand des Schaltelements (125) einen höheren Widerstand des Schaltelements (125) im Vergleich zu dem Widerstand des Schaltelements (125) im zweiten Schaltzustand umfasst und wobei der zweite Schaltzustand des Schaltelements (125) einen geringeren Widerstand des Schaltelements (125) im Vergleich zu dem Widerstand des Schaltelements (125) im ersten Schaltzustand umfasst.
7. Elektromagnetisches Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 6, wobei das Schaltelement (125) eine Diode (201 ) umfasst, wobei die Diode (201 ) eingerichtet ist, bei Erreichen einer Durchlassspannung der Diode (201 ) von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand überzugehen.
8. Elektromagnetisches Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei das Schaltelement (125) wenigstens eine weitere Diode und/oder einen Vorwiderstand (203) umfasst.
9. Elektromagnetisches Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Schaltelement (125) einen Transistor (301 ), insbesondere einen Bipolartransistor oder einen MOSFET, umfasst.
10. Elektromagnetisches Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 9, wobei dem Transistor (301 ) ein RC-Glied (309) und ein Spannungsteiler (303) vorgeschaltet sind, durch die eine Zeitkonstante definiert ist.
1 1. Elektromagnetisches Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 9, wobei dem Transistor (301 ) eine Steuerung (401 ), insbesondere ein Mikrocontroller, vorgeschaltet ist, der eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines gemessenen Stroms in dem ersten Schaltungszweig (1 19) oder dem zweiten
Schaltungszweig (121 ) einen Schaltzeitpunkt des Transistors (301 ) zu bestimmen.
12. Elektromagnetisches Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach Anspruch 11 , wobei die Steuerung (401 ) eingerichtet ist, eine Schaltspannung zum Schalten des Schaltelements (125) bereitzustellen, wenn der gemessene Strom einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
13. Elektromagnetisches Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei eine erste Sperrdiode (315) zwischen dem ersten Relais (103) und dem Schaltelement (125) angeordnet ist, um einen Stromfluss von dem Schaltelement (125) zu dem ersten Relais (103) zu sperren und eine zweite Sperrdiode (317) zwischen dem zweiten Relais (105) und dem Schaltelement (125) angeordnet ist, um einen Stromfluss von dem zweiten Relais (105) zu dem
Schaltelement (125) zu sperren.
14. Elektromagnetisches Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) ein Sicherheitsrelaismodul ist, um eine sicherheitsrelevante Funktion zu erfüllen und wobei das erste Relais (103) und das zweite Relais (105) redundante Relais sind.
15. Anordnung mit einem elektromagnetischen Relaismodul (100, 200, 300, 400, 500, 600) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einem Not-Halt-Schalter (701 ) oder einem Schutztürschalter oder einem Magnetschalter oder mit einem Lichtgitter.
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