(19)
(11) EP 0 042 997 A2

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
06.01.1982  Patentblatt  1982/01

(21) Anmeldenummer: 81104315.7

(22) Anmeldetag:  04.06.1981
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)3H01H 47/32, H01H 51/30, H01H 50/44
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AT CH DE FR GB IT LI NL SE

(30) Priorität: 27.06.1980 DE 3024343

(71) Anmelder:
  • EURO-Matsushita Electric Works Aktiengesellschaft
    D-83607 Holzkirchen (DE)

    AT CH DE FR GB IT LI NL SE 
  • MATSUSHITA ELECTRIC WORKS, LTD.
    Kadoma-shi Osaka 571 (JP)

    FR 

(72) Erfinder:
  • Ritter, Heinz
    D-8920 Schongau (DE)

(74) Vertreter: Strehl, Peter, Dipl.-Ing. et al
Patentanwälte Strehl Schübel-Hopf Groening u. Partner Postfach 22 14 55
80504 München
80504 München (DE)


(56) Entgegenhaltungen: : 
   
       


    (54) Schaltungsanordnung zum Speisen eines elektromagnetischen Relais


    (57) Das hier beschriebene elektromagnetische Relais weist zwei Wicklungen (W1, W2) auf, die zweidrähtig gewickelt sind und jeweils zwischen zwei mit entgegengesetzter Durchlassrichtung an eine Klemme (5, 6) einer Wechselspannung angeschlossenen Dioden (D1, D2; D3, D4) derart eingeschaltet sind, daß die von den beiden Wicklungen (W1, W2) erzeugten Durchflutungen in gleicher Richtung verlaufen. Beim Betrieb dieses Relais mit Wechselspannung wirkt die zwischen den beiden Wicklungen (W1, W2) bestehende Kapazität (C) als Blindwiderstand, der den Erregerstrom des Relais begrenzt, ohne Wirkleistung zu verbrauchen.




    Beschreibung


    [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 10oC, so daß dieses Relais ebenso wie moderne gepolte Gleichspannungsrelais problemlos einsetzbar ist.


    Ansprüche

    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.
     




    Zeichnung