[0001] Die Erfindung betrifft ein mit Wechselspannung ansteuerbares elektromagnetisches
Relais, dessen Spule über jeweils ein Paar von Dioden in entgegengesetzter Durchlassrichtung
derart an jede der beiden Wechselspannungsklemmen angeschlossen ist, daß die Spule
unabhängig von der Polarität der Wechselspannung stets in gleicher Richtung durchflutet
ist, mit einer den Erregerstrom begrenzenden Kapazität.
[0002] Gegenüber dem Betrieb von Relais mit Gleichspannung ist die Ansteuerung mit Wechselspannung,
insbesondere bei den üblichen Versorgungsspannungen von 110 bzw. 220 V, relativ großvolumigen
ungepolten Relais vorbehalten, die bei einem Wickelvolumen von einigen Kubikzentimetern
Spulenverlustleistungen bis zu einigen Watt vertragen. üblicherweise sind diese Relais
mit einem Kurzschlußring versehen, der die Abfallzeiten derart verlängert, daß die
Relais beispielsweise bei 50-Hz-Betrieb weder abfallen noch flattern.
[0003] Auch die gepolten Relais lassen sich an Wechselspannung betreiben, wenn z.B. ein
Brückengleichrichter verwendet wird. Die Gleichrichterdioden wirken gleichzeitig wie
Löschdioden und verlängern dadurch die Abfallzeit des Relais etwa um den Faktor 5.
Wollte man nun ein solches Relais bei vertretbarem Bauvolumen mit der für gepolte
Gleicrnpannungsrelais üblichen Erregerleisung von ca. 150 mW an 220 V Wechselspannung
betreiben, so wären Spulenwiderstände erforderlich, die weit oberhalb des technisch
Realisierbaren liegen.
[0004] Versucht man bei modernen Relais, einen maximalen Spulenwiderstand zu realisieren,
so erreicht man mit den dünnsten, noch mit vertretbarem Aufwand zu verarbeitenden
Kupferlackdrähten mit ca. 20 kn einen Maximalwert. Wollte man nun ein solches Relais
an 220 V Wechselspannung betreiben, so würden an der Erregerspule 2,4 Watt elektrischer
Energie in Warme umgesetzt, was eine Temperaturerhöhung des Relais um 140°C zur Folge
hätte. Um diese unzulässige Erwärmung zu vermeiden, ist es bei Verwendung eines ohmschen
Widerstandes nur möglich, diesen als separates Bauelement vorzusehen, was abgesehen
von den erhöhten Montagekosten zu 1 bis 2 Watt Verlustleistung und damit zu einem
höheren Platzbedarf führt, der insbesondere bei Leiterplattenbauweise störend ist.
[0005] Aus der deutschen Auslegeschrift Nr. 1298626 ist ein Relais der eingangs bezeichneten
Art bekannt, bei der der Erregerstrom durch einen vorgeschalteten Kondensator begrenzt
wird. Dieser Kondensator nimmt zwar nur Blindleistung auf und erzeugt deshalb keine
Wärme. Auch er stellt jedoch ein separates Bauelement dar, das wegen sei-
- nes erheblichen Raumbedarfes in den modernen Schaltungen mit hoher Packungsdichte
erst recht nachteilig ist.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisches Relais der eingangs
bezeichneten
Art zu schaffen, das auch bei höherer Wechselspannung wenig Ansteuerenergie benötigt
und gleichzeitig geringen Raumbedarf aufweist.
[0007] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Spule zwei galvanisch
getrennte und kapazitiv gekoppelte Wicklungen aufweist, deren jede zwischen jeweils
eines der Diodenpaare derart eingeschaltet ist, daß die von beiden Wicklungen erzeugten
Durchflutungen in gleicher Richtung verlaufen.
[0008] Durch diese Maßnahme erhält man ein Relais, das bei relativ niederohmigen Spulenwicklungen
einen geringen Bedarf an Steuerleistung hat, zumal der Erregerstrom durch die Kapazität
zwischen den Spulenwicklungen auf einen relativ kleinen Wert begrenzt wird. Bei niederohmigen
Spulen und gleichzeitiger Strombegrenzung erreicht man, daß auch bei geringem Bauvolumen
relativ wenig Erregerleistung aufgenommen wird und damit kaum nennenswerte Eigenerwärmung
des Relais auftritt. Der aus der Kapazität zwischen den Spulenwicklungen resultierende
Blindwider- - stand ist entsprechend der Frequenz der angelegten Wechselspannung in
seinem Betrag wesentlich größer als der ohmsche Widerstand der Spulenwicklungen, so
daß der Spulenwiderstand bei der Ermittlung des benötigten Erregerstromes in erster
Näherung vernachlässigbar ist. Hieraus ergibt sich, daß die zur Erregung des Magnetsystems
erforderliche Durchflutung bzw. die nötige Ampere-Windungszahl, ausgehend von einer
bestimmten Windungszahl einer Spule erreicht wird, indem die Kapazität zwischen den
Spulenwicklungen so groß gemacht wird, daß deren Blindwiderstand bei der Frequenz
der angelegten Spannung einen ausreichenden Stromfluß zuläßt.
[0009] Aus der deutschen Offenlegungschrift 2749732 ist zwar ein Relais bekannt, dessen
Spule aus zwei galvanisch getrennten und kapazitiv gekoppelten Wicklungen besteht,
um den Stromfluß zeitlich zu begrenzen. Dieses bekannte Relais ist jedoch zur Ansteuerung
mittels Gleichspannung bestimmt, und die Kapazität soll bewirken, daß die für das
Ansprechen des Relais erforderliche Durchflutung kurzzeitig, d.h. nur beim Ein- bzw.
Umschalten, erreicht wird. Ist die Kapazität aufgeladen, so verhindert sie einen weiteren
Gleichstromfluß. Die Ansteuerung eines derartigen Relais mittels Wechselstrom ist
in dieser Druckschrift nicht vorgesehen. Die Ausnutzung der Kapazität zwischen den
beiden Wicklungen zur Bildung eines Wechselstromwiderstandes gewünschter Größe und
die Verbindung der beiden Wicklungen über Dioden mit den Wechselspannungsquellen sind
der Druckschrift nicht zu entnehmen.
[0010] Selbst wenn man daran denken würde, das aus der deutschen Offenlegungschrift 2749732
bekannte Relais in die aus der deutschen Auslegeschrift 1298626 bekannte Schaltung
einzusetzen, so würde man bei Anschalten der Wechselspannung keine dauernde Durchflutung,
sondern wegen der gleichrichtenden Wirkung der Diodenbrücke in Verbindung mit dem
Verhalten der Kapazität zwischen den beiden Wicklungen bei Gleichstrom nur eine einmalige
Aufladung dieser Kapazität und damit eine einmalige kurze Durchflutung erzielen.
[0011] Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zur Erzielung definierter
Anspechspannung U vorgesehen, daß diese im wesentlichen folgender Formel genügt:

worin
0 die zum Ansprechen des Relais erforderliche Durchflutung,
w die Windungszahl einer Spule,
W die Kreisfrequenz der angelegten Wechselspannung U,
C die Kapazität zwischen den beiden Spulenwicklungen und
R der ohmsche Widerstand einer Spulenwicklung
[0012] Bei dieser Näherungsformel, die der praktischen Anwendung genügt, ist die Spuleninduktivität
unberücksichtigt, weil bei dieser Anordnung für die die Induktivität bestimmenden
Spulenwicklungen lediglich ein pulsierender Gleichstrom wirksam ist. Auch ist der
ohmsche Widerstand der Spulenwicklungen, im Verhältnis zu dem aus der kapazitiven
Kopplung resultierenden, wesentlich größeren, in Serie liegenden kapazitiven Blindwiderstand
praktisch vernachlässigbar. Die erforderliche Durchflutung θ ist eine für das jeweilige
Magnetsystem bekannte Größe. Somit ergibt sich, daß die Ansprechspannung des Relais
z.B. durch Erhöhen der Frequenz der Wechselspannung oder Vergrößern der Kapazität
zwischen den Spulenwicklungen erniedrigt werden kann.
[0013] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die beiden Spulenwicklungen
zweidrähtig gewickelt sind und als Kapazität die gemeinsame Wicklungskapazität wirksam
ist. Bei einer solchen zweidrähtigen Spulenwicklung liegen die Anfänge und Enden beider
Wicklungen jeweils nebeneinander. Man erzielt mit dieser Art der Wicklung wesentlich
höhere Kapazitätswerte als mit Lagenwicklungen. Eine weitere Steigerung der Wicklungskapazität
zweidrähtig gewickelter Spulenwicklungen erzielt man durch Verkleinerung der Drahtdurchmesser.
[0014] Eine Weiterbildung der Erfindung besteht ferner in der Verwendung bei einem Magnetsystem,
dessen elektromagnetischer Fluß von einem Dauermagnetfluß überlagert ist. Hierdurch
erreicht man eine erhebliche Steigerung der Empfindlichkeit des Relais. Es ist damit
möglich, Wechselspannungsrelais in Miniaturbauweise bei ebenso geringem Bedarf an
Ansteuerenergie zu realisieren, wie dies bei den eingangs zitierten Gleichspannungsrelais
möglich ist.
[0015] Außerdem kann bei einem derartigen Dauermagnetsystem vorgesehen sein, daß ein Teil
der Dauerflußkraft in Kontaktfedern des Relais speicherbar ist. Neben einer weiteren
Steigerung der Ansprechempfindlichkeit des Relais eröffnet sich hierdurch die Möglichkeit,
daß die Erregerleistung des Relais, im Rahmen der verfügbaren Dauerflußkraft, unabhängig
von der Kontaktkraft bzw. der Zahl der zu betätigenden Kontaktfedern gemacht werden
kann.
[0016] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann zu den Wechselspannungsklemmen ein Uberspannungsschutzelement
parallel geschaltet sein, bei dem es sich beispielsweise um einen Varistor oder eine
bipolare Zenerdiode handelt, die in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung mit den vier
Dioden zu einer Baueinheit.zusammen geschaltet ist. Dadurch lässt sich mit schaltungstechnisch
unaufwendigen Mitteln ein Schutz der Spulenwicklungen und gleichzeitig der Dioden
gegen etwaige auftretende Spannungsstöße erzielen.
[0017] Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 einen Plan aus dem die Beschaltung der Spulenwicklungen des erfindungsgemäßen
Relais ersichtlich ist;
Fig. 2 und Fig. 3 Schaltpläne, die die Stromflüsse bei unterschiedlicher Polarität
der angelegten Wechselspannung zeigen; und
Fig. 4 die Zusammenschaltung einiger Schaltungselemente zu einem gemeinsamen Bauelement.
[0018] In den Figuren 1 bis 3 sind die Spulenwicklungen W1, W2 eines elektromagnetischen
Relais dargestellt, das über Gleichrichterdioden D1, D2, D3, D4 an die Anschlüsse
5, 6 einer Wechselspannung U gelegt ist. Die beiden Spulenwicklungen W1, W2 sind galvanisch
voneinander getrennt und zweidrähtig, also in einem Arbeitsgang und damit im gleichen
Wicklungssinn gewickelt. An die nebeneinander liegenden Wicklungsanfänge 1, 3 sind
erste Dioden D1, D3 mit ihren Kathoden und an die ebenfalls nebeneinander liegenden
Wicklungsenden 2, 4 sind zweite Dioden D2, D4 mit ihren Anoden angeschlossen. Die
den Spulenwicklungen W1, W2 abgewandten Anschlüsse der ersten und zweiten Dioden D1,
D3 bzw. D2, D4 sind jeweils miteinander verbunden und an die beiden Anschlüsse 5,
6 der Wechselspannung U gelegt. Ein zwischen die Anschlüsse 5, 6 eingeschaltetesrspannungsbegrenzendes
Element Z, beispielsweise eine bipolare Zenerdiode, schützt die Wicklung W1, W2 und
die Dioden D1 bis D4 gegen Überspannungen.'Figur 4 zeigt die Zusammenschaltung der
Zenerdiode Z mit den vier Dioden D1 bis D4 zu einem einheitlichen Bauelement.
[0019] Infolge der gewählten Beschaltung der Spulenwicklungen W1, W2 mit den Dioden D1,
D2, D3, D4 fließt der Strom J, unabhängig von der Polarität der angelegten Wechselspannung
U, stets in gleicher Richtung durch die beiden Spulen, während er sich in der zwischen
beiden Wicklungen W1, W2 befindlichen Kapazität C umkehrt. Da es sich beim vorliegenden
Ausführungsbeispiel um keine diskrete Kapazität sondern die durch die zweidrähtige
Wicklung bedingte Wicklungskapazität handelt, ist diese in den Figuren gestrichelt
eingezeichnet.
[0020] Bei der in Figur 2 gegebenen Polarität, positives Potential am Anschluß 5 und negatives
am Anschluß 6, fließt der Erregerstrom J vom Pluspol über die erste Diode D1 zum Anfang
1 der Spulenwicklung W1, über die Spulenkapazität C zur Spulenwicklung W2 zum Ende
4 dieser Wicklung und von dort über die zweite Diode D4 zum Minuspol der Wechselspannung..Die
Dioden D2 und D3 sind bei dieser Polarität der Wechselspannung U gesperrt. Erfolgt
ein Wechsel in der Polarität der Spannung U, wie in-Fig. 3 gezeigt, so fließt der
Erregerstrom J nun vom Anschluß 6 über die erste Diode D3 zum Anfang 3 der Spulenwicklung
W2, die Spulenkapazität C, die Spulenwicklung W1 und die zweite Diode D2 am Spulenwicklungsende
2 zum Minuspol 5 der Wechselspannung U. In diesem Falle sind die Dioden D1 und D4
gesperrt. Während die Spulenwicklungen W1 und W2 stets in gleicher Richtung durchflossen
werden, fließt über die beide Spulen koppelnde Wicklungskapazität ein Wechselstrom.
Um für das Relais die gewünschte Ansprechspannung U zu erzielen, sind die Spulenkapazität
C und die Windungszahl w einer jeden Spulenwicklung W1, W2 gemäß der vorerwähnten
Formel gewählt.
[0021] Die jeweils notwendige Durchflutung ist dabei für das jeweilige Magnetsystem bekannt.
In der angegebenen Näherungsformel ist der ohmsche Spulenwiderstand vernachlässigbar,
wenn er im Betrag wesentlich unter dem aus der Wicklungskapazität resultierenden Blindwiderstand
liegt. Die Kapazitätswerte für nebeneinander geführte Spulendrähte sind ebenfalls
bekannt, so daß sich die Wicklungskapazität einer zweidrähtig gewickelten Spule in
guter Näherung berechnen läßt.
[0022] Beispielsweise erhält man bei einem modernen Kleinrelais mit einer zweidrähtigen
Spulenwicklung bei einer Windungszahl von 10000 Windungen eine Wicklungskapazität
von 30 nF. Hierbei ergibt sich bei einer Dauererregung des Relais mit 220 V Wechselspannung
eine Eigenerwärmung von etwa 10
oC, so daß dieses Relais ebenso wie moderne gepolte Gleichspannungsrelais problemlos
einsetzbar ist.
1. Mit Wechselspannung ansteuerbares elektromagnetisches Relais, dessen Spule (W1,
W2) über jeweils ein Paar von Dioden (D1, D2; D3, D4) in entgegengesetzter Durchlaßrichtung
derart an jede der beiden Wechselspannungsklemmen (5, 6) angeschlossen ist, daß die
Spule unabhängig von der Polarität der Wechselspannung stets in gleicher Richtung
durchflutet ist, mit einer den Erregerstrom begrenzenden Kapazität (C), dadurch gekennzeichnet,
daß die Spule zwei galvanisch getrennte und kapazitiv gekoppelte Wicklungen ( W1,
W2) aufweist, deren jede zwischen jeweils eines der Diodenparen (D1, D2; D3, D4) derart
eingeschaltet ist, daß dievon beiden Wicklungen (W1, W2) erzeugten Durchflutungen
in gleicher Richtung verlaufen.
2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für das Ansprechen des
Relais erforderliche Spannung U im wesentlichen folgender Formel genügt:

worin
θ die zum Ansprechen des Relais erforderliche Durchflutung,
w die Windungszahl jeder Spulenwicklung (W1, W2), ω die Kreisfrequenz der angelegten
Wechselspannung (U),
C die Kapazität zwischen den beiden Spulenwicklungen, und
R der ohmsche Widerstand einer Spulenwicklung (W1, W2) ist.
3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungen
(W1, W2) zweidrähtig gewickelt sind und als Kapazität (C) die gemeinsame Wicklungskapazität
wirksam ist.
4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Wechselspannungsklemmen
(5, 6) ein Überspannungs- Schutzelement (Z) parallel geschaltet ist.
5. Relais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Überspannungs―Schutzelement
aus einer bipolaren Zenerdiode (Z) besteht.
6. Relais nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß da Überspannungs-Schutzelement
(Z) mit den vier Dioden (D1; D4) zu einer Baueinheit zusammen geschaltet ist.
7. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung bei
einem Magnetsystem, dessen elektromagnetischer Fluß von einem Dauermagnetfluß überlagert
ist.
8. Relais nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Dauerflußkraft
in Kontaktfedern des Relais speicherbar ist.