Journal of Magnetism and Magnetic Materials 4 (1977) 55-62 © North-Holland Publishing Company

SESSION 3: MAGNETIC SEMI-HARD COMPOUNDS

NEUERE BISTABILE RELAiS MIT ABGESCHLOSSENEN KONTAKTEN

NEW BISTABLE RELAYS WITH GAS-PROTECTED CONTACTS

Rudolf NITSCH Zentrallaboratorium fi~r Nachrichtentechnik, Siemens AG, Hofmannstrasse 51, 8000 Munich 70, Fed. Rep. Germany

Received 2 June 1976, revised version received 14 July 1976

Um eine unzul~sige W~rmeentwicklung beim Einsatz grosser Mengen von miniaturisierten Relais in der Fernsprech-Ver- mittlungstechnik zu vermeiden, ist ein kleiner Leistungsbedarf wichtig. Bistabile Relais erftillen diese Bedingung, da sie nur w~hrend der kurzen Steuerimpulse Energie verbrauchen. Bistabile Relais, welche ftir abgeschlossene Kontakte mit nur einem magnetisch wirksamen Spalt geeignet sind, k6nnen nach drei Prinzipien realisiert werden: Partielle (Haftrelais) oder totale (Ferreed, Remreed) Ummagnetisierung von weichen oder halbharten Magneten oder durch Umsteuern eines ann/ihernd konstanten permanenten Magnetflusses. Die Anforderung an die Gleichm~ssigkeit und das dynamische Verhalten yon Kontakten in einem Ferreed oder Remreed sind relativ bescheiden, es wird jedoch ftir das Ansteuern dieser Relais eine Lei- stung ben6tigt, welche ein Vielfaches eines neutralen Relais mit gleicher Kontaktbesttickung betr~/gt. Relais nach dem Prinzip der Flussumsteuerung werden mit kleiner Leistung bet~itigt, ben6tigen jedoch Kontakte mit Schwingungsd~impfung und geringerer Streuung ihrer Kennwerte. Die Eigenschaften der Dauermagnete sind yon untergeordneter Bedeutung. Die Dis- kussion der magnetischen Prinzipien zeigt, dass die Auswahl wesentlich yon den verfiigbaren Kontakten abh/ingt. Ftir ein im Zentrallaboratorium fiir Nachrichtentechnik der Siemens AG entwickeltes neues bistabiles Relais wurde das Prinzip der Flussumsteuerung gew/ihlt und zwar wegen der Bedeutung eines kleinen Leistungsbedarfes in ferngesteuerten Vermittlungs- einrichtungen ohne eigene Stromversorgung. Ein fiir dieses Prinzip geeigneter Miniaturkontakt ist der abgeschlossene Kontakt im Metallgeh~/use. Um die Streuung seiner Kennwerte einzuengen, werden t)ffnung und die Vorspannung der Anker durch Eindrticken des Geh~iuses justiert. Die gewiinschte Magnetisierung wird am fertigen Relais eingestellt.

To avoid undue heat-generation a low power consumption is important when miniaturized relays are used in large quanti- ties, as in telephone switching systems. This requirement is met by bistable relays consuming power only during short con- trol pulses. A bistable magnetic system especially for sealed contact elements with only one effective gap can be realized by the use of three principles: partial (magnetic latching) or complete (ferreed, remreed) reversal of the magnetization of soft or medium-hard magnetic materials, or splitting an approximately constant permanent magnetic flux. The requirements concerning the uniformity and dynamic behaviour of the contact elements used in a ferreed or remreed are relatively low, but the power necessary to control these relays is a multiple of that necessary for a neutral relay equipped with the same contacts. Relays based on the principle of flux splitting require only a low control power but contact elements with damped vibration and more uniform characteristics. The parameters of the permanent magnet are of minor significance. The descrip- tion of the magnetic principles shows that the choice largely depends on the available contact elements. In a new bistable relay developed in the Central Telecommunications Laboratories of Siemens AG the flux splitting principle was chosen be- cause of the importance of low control power in remotely controlled switching centers without a separate power supply. A miniaturized element suitable for this magnetic principle is the gas-protected metal-sealed contact. To limit the spread of its electrical characteristics the contact gap and the armature bias are adjusted by deforming the metallic capsule. The correct magnetization is accomplished when the relay is completely assembled. A total of 128 relays are mounted on a board with printed wiring to form a switching matrix which is a part in the electronically controlled switching system EWS of the German Federal Mail Service.

1. Einfiihrung

Ein e rhebl icher Tell der Welterzeugung von bis tabi len

Relais wird in der Fe rnsp rech -Vermi t t l ungs t echn ik

verbraucht ; die Stf ickzahlen sind im le tz ten J ah rzehn t

sprunghaf t gestiegen. Deshalb erscheint es gerecht fer t ig t ,

56 R. Nitsch/Bistabile Relais mit abgeschlossenen Kontakten

den Entwicklungstrend von bistabilen Relais an Hand yon Beispielen aus diesem Teilbereich der Nachrichten- technik zu diskutieren.

In einem konventionellen Fernsprechamt werden neutrale Relais vornehmlich fiir Steuerzwecke ver- wendet, w~ihrend das Durchschalten der Sprechadern tiber W~ihler verschiedener Bauart erfolgt. Demgegen- fiber werden neu entwickelte Vermittlungssysteme meist elektronisch gesteuert, die Sprechadern jedoch weiterhin tiber Kontakte geftihrt. Der Grund ftir diese Arbeitsteilung sind die ausgezeichneten lJbertragungs- eigenschaften von Kontakten bis in den Frequenzbe- reich von MHz sowie deren Unempfindlichkeit gegen lQberspannungen und sonstige StOrungen, welche i~ber die Teilnehmerleitung eindrigen k6nnen. Dem weltweiten Trend nach gesteigerter Zuverliissigkeit folgend werden diese Kontakte h~ufig in gasdichten Geh~iusen unterge- bracht und damit gegen die Einfltisse der Umgebung geschtitzt. Jeweils ein, zwei oder mehr Kontakte werden in einem Relais gemeinsam betiitigt, die Schaltzeiten sollen mit Rticksicht auf die Zusammenarbeit mit der Elektronik in der Gr6ssenordnung yon Millisekunden liegen. Je Teilnehmer werden in einem Fernsprechamt 20-30 solcher Relais ben6tigt, in einem Amt ftir 10 000 Tln demnach etwa 2 -300 000 StOck allein ftir die Durchschaltung der Sprechwege. Dartiberhinaus wird zus~.'tzlich zu den elektronischen Einrichtungen noch eine erhebliche Anzahl yon Relais ftir Steuer- zwecke verwendet. Ein weiterer Trend geht in Richtung der Miniaturisierung yon Bauteilen ftir die Schwach-

stromtechnik. Die Miniaturisierung yon Relais ftir die Vermittlungstechnik ist jedoch nut m6glich, wenn die im betiitigten Zustand verbrauchte Leistung zumindest im gleichen Masse reduziert wird, da sich anderenfalls die Amtseinrichtungen unzul~ssig stark erw~irmen wtirden. Die ideale L6sung dieses W~irmeproblems be- steht in der Verwendung yon bistabilen Relais, welche mit einem kurzen Impuls bet~itigt werden, w~/hrend der gesamten Dauer eines Telefongespr~/ches ohne Leistungsverbrauch bet~itigt bleiben und nach Ende des Gespr~iches mit einem kurzen Impuls wieder in ihre Ruhelage zurtickgestellt werden. Auf diese Weise sind Miniaturisierung und die Verwendung von bistabilen Relais miteinander untrennbar verkntipft.

Die in diesem bistabilen Relais verwendeten Schalt- elemente, d.h. die Kontakte, weisen meist nur einen magnetisch wirksamen Spalt auf, um die Zahl der gasdichten Durchftihrungen so klein als m6glich zu halten.

(Ein klassisches Telegrafenrelais nach dem Carpenter- princip hat demgegentiber zwei magnetisch wirksame Spalte). Bei z.Zt. in der Praxis verwendeten Relais er- folgt das Fixieren der Arbeitsstellung durch permanente oder semipermanente Magnete, wobei drei verschiedene Prinzipien zur Auswahl stehen.

2. Partielles Ummagnetisieren (Haftrelais)

In Bild 1 ist schematisch ein Kontaktelement aus zwei beweglichen weichmagnetischen Teilen dargestellt, deren Stirnfl~ichen den Arbeitsluftspalt bilden und welche gleichzeitig direkt oder unter Mithilfe zus~itz- licher Kontaktstticke die Kontaktgabe bewirken; der /iussere Eisenkreis besteht aus einem Werkstoff mit

[ sp

a Magnetkreis often b Magnetkreis geschlossen

K Beweglicher Teil Sp Spule M Magnet OM Magnetflufl

¢

Abwer|enl¢~"~ /

/ / /'~ / / f /

S chen

i / OM--~

c Magnetislerungszyklus bei geschlossenem Kontakt

OM Magneterregung

Bild 1. Partielles Ummagnetisieren (Haftrelais).

Fig. 1. Partial reversal of magnetization.

R. Nitsch /Bistabile R elais mit abgeschlossenen Kontakt en 5 7

relativ kleiner Koerzitivkraft. Bei positiver Erregung der Spule wird der Magnet aufmagnetisiert, der Kontakt geschlossen und durch den remanenten Magnetfluss gehalten. Wie aus dem Magnetisierungszyklus (Bild 1) hervorgeht, muss beim Abwerfen die negative Spulen- erregung verh~iltnism~ssig genau eingehalten werden, damit ein Wiederbet~itigen bei zu grosser Erregung unterbleibt. Diese Forderung erschwert die Ansteuerung.

Dieses Haftprinzip wird vielfach bei ursprtinglich monostabilen Relais und Koordinatenschaltern ange- wendet, die durch meist nur ger!ngffigige konstruktive ~,nderungen und gleichzeitigen Ubergang auf magnetisch h/irtere Werkstoffe zu bistabilen Elementen umgebildet werden.

a Magnetkreis often b Magnetkreis geschlossen

K Beweglicher Teil MK Magnet mit konstanter Magnetisierung MV Magnet mit variabler Magnetisierung Sp Spule

I~ ~ M Magne.sleren

Magnellsieren c Magnetisierungszyklus

des Magncten MV

~M Magnetflu[~ OM Magnetcrregung

(')c Magneterregung bei Erreichen der Koerzitivfeldst~irke

3. Totales Ummagnetisieren

Das Kennzeichen dieses vom "Ferreed" her bekannten Prinzips ist, dass der durch eine ~iussere Erregung ge- schaltete Fluss eines Permanentmagnets mit mittlerer gut reproduzierbarer Koerzitivfeldst~irke und m6glichst rechteckiger Magnetisierungsschleife einem zweiten, gleichfalls von einem Permanentmagnet herrtihrenden Bezugsfluss entgegen- oder gleichgerichtet ist. In Bild 2 ist der Magnet mit konstanter Magnetisierung mit MK, derjenige mit variabler Magnetisierung mit MV be- zeichnet.

Die Anforderungen an die Gleichm~ssigkeit der verwendeten Kontaktelemente sind unter der Voraus- setzung einer guten Symmetries des Aufbaus verh~ilt- nism~/ssig gering; das dynamische Verhalten, wie z.B. das Schwingen der bewegten Kontaktteile nach dem Offnen, beeinflusst die Funktion nicht. Mit anderen Worten: Durch ~ussere mechanische Beeinflussungen kann das System nicht for dauernd von der einen in die andere Arbeitslage umschlagen.

Zum Ansteuern eines Ferreeds wird eine Leistung ben6tigt, die ein Mehrfaches der Steuerleistung eines mit gleichen Kontaktelementen besttickten neutralen Relais betra'gt, und zwar bei vergleichbaren Spulendaten. Besonders ausgepr~'gt ist dieser erh6hte Leistungsbe- darf beim Differentialferreed, welches durch koinzidente Erregung von zwei Spulen angesteuert wird.

In einer neueren Variante dieses Prinzips werden Kontakte mit Zungen aus halbhartem Magnetwerkstoff verwendet (Bild 3). Die Zunge MV wird durch eine Spule ummagnetisiert, die Magnetisierung der Zunge

MK MK

to MV MV

a. Magnetkreis often b. Magnetkreis geschlossen

Bild 2. Totales Ummagnetisieren ("Ferreed"). Bild 3. Totales Ummagnetisieren ("Remreed").

Fig. 2. Complete reversal of magnetization ("ferreed"). Fig. 3. Complete reversal of magnetization ("remreed").

5 8 R. Nitsch/Bistabile Relais mit abgeschlossenen Kontakten

MK bleibt konstant. Diese als Remreed bekannte Ausffihrung ergibt verringerte Abmessungen sowie eine geringere Beeinflussung benachbarter Relais. Diesen Vorteilen stehen zus/itsliche Anforderungen an den Werkstoff der Kontakte gegenfiber und zwar u.a. be- zfiglich der Verschmelzbarkeit mit Glas.

4. Flussumsteuerung

Beim Prinzip der Flussumsteuerung wird der an- n~hernd konstante Magnetfluss eines Permanentmag- nets mit grosser Koerzitivfeldst/irke entsprechend den magnetischen Widerst~nden des Arbeitskreises einerseits und eines Nebenschlusskreises andererseits aufgeteilt (Bild 4). Bei nichterregter Spule und ge- 6ffnetem Arbeitsluftspalt teilt sich der Dauermagnet- fluss in einen Anteil tiber den Nebenschlusskreis und einen zum Bet/itigen des Relais nicht ausreichenden

M N M N

a Magnetkreis often b Magnetkreis geschlossen

K Beweglicher Teil Sp Spule M Magnet @r,i Magnetflug N Nebenschluf~ tgM Magneterregung

r-j,: ~ ® M

c Magnctisierungszyklus

(')c Magnctcrrcgung bci Errcichen dcr Koerzitivfcldst~irkc

Bild 4. Flussumsteuerung.

Anteil fiber den Arbeitskreis. Wird die Spule erregt, so vergr6ssert sich der Flussanteil fiber den Arbeitsluft- spalt auf Kosten des Flusses fiber den Nebenschluss- kreis, und das Relais wird bet~tigt. In geschlossenem Zustand und bei kleinem magnetischem Widerstand des Arbeitsluftspalts reicht der Fluss fiber den Arbeits- kreis auch ohne Spulenerregung zum Halten aus. Durch Gegenerregen der Spule wird das Relais abgeworfen. Bei sehr grosser Gegenerregung schliesst es nochmals, f~'llt jedoch nach dem Ende des Abwerfimpulses end- g~iltig ab.

Der Arbeitspunkt des Dauermagneten bewegt sich zwischen Punkt 1 beim Ansprechen und Punkt 2 wShrend des Abwerfimpulses; der Magnetfluss bleibt in erster N/iherung konstant. Die Streuung der Werk- stoffeigenschaften des Magneten sowie der Form der Magnetisierungsschleife spielt eine untergeordnete Rolle. Die mechanische Schwingung der verwendeten Kontakte soil bei Ende des Abwerfimpulses abgeklungen sein. Der Leistungsbedarf ffir das Bet~itigen eines solchen nach dem Prinzip der Flussumsteuerung arbeitenden Relais ist kleiner als bei einer entsprechenden neutralen Ausffihrung. Bistabile Schaltelemente dieser Art be- n6tigen von allen bisher betrachteten die geringste Steuerleistung.

5. Auswahl des geeigneten Prinzips

Ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl ist die Steuerleistung. Werden Relais ausschliesslich in der N/ihe einer Stromversorgung betrieben, so spielen hohe Leistungen bei den for bistabile Relais typischen kurzen Steuerimpulsen eine untergeordnete Rolle. Anders ist dies beim Einsatz solcher Relais in abge- setzten ferngesteuerten Vermittlungseinrichtungen, welche fiber keine eigene Spannungsquelle verffigen und fiber Fernsprechleitungen mit relativ hohem Widerstand ferngespeist werden.

Bei der Entwicklung eines bistabilen Relais im Zen- trallaboratorium ffir Nachrichtentechnik der Siemens AG gaben diese Anwendungen, fiir welche hohe Steuerleistungen prohibitiv sind, den Ausschlag ffir die Wahl des Prinzips der Flussumsteuerung. Der in der Folge beschriebene Kontakt erfiillt die mit diesem Prinzip verbundenen Anforderungen.

Fig. 4. Flux splitting.

R. Nitsch/Bistabile Relais mit abgeschlossenen Kontakten 59

Bild 5. Schnitt durch den Schutzgaskontakt im Metallgeh~use.

Fig. 5. Section through a gas-protected metal-sealed contact.

6. Schutzgaskontakte im Metallgeha'use

Der Aufbau ist aus den beiden Schnitten in Bild 5 sowie aus Bild 7 zu erkennen. In einer Grundplatte aus Eisen ist ein Kontaktstift aus Permenorm (Fe/Ni 50/50) mittels einer Glasperle isoliert und gasdicht ein- geschmolzen. Zwei bewegliche Anker sind ~iber eine Feder mit einem Deckel, welcher ebenfalls aus Eisen besteht, verbunden. Deckel und Grundplatte sind gasdicht verschweisst; das dabei entstehende Kontakt- geh~iuse wird vor dem Schweissen mit Schutzgas ge- ffillt. Bei Erregen einer tiber dem Kontaktstift angeord- neten Spule werden die beiden Anker zur Stirnfla'che des Stifles gezogen und verbinden diesen mit dem Geha'use (Doppelkontakt). Nach Abschalten der Spule werden die Anker durch die Feder wieder in die Ruhelage zurtickgeholt.

Die KontaktOffnung und die Vorspannung der Anker gegen den Deckel werden justiert, um die Streuung der Kontaktparameter einzuengen. Das Justieren erfolgt durch Eindriicken des Geh~/uses der fertigen Kontakte, wobei beim Hubjustieren die Durchschlagspannung und beim Kraftjustieren die Ansprecherregung des Kontaktes in einer Messpule als Kriterium dienen. Die notwendige Schwingungs- d~mpfung wird durch den Anschlag der Anker gegen den Deckel beim Abfallen erreicht.

Die Grundplatte des Kontaktes mit ihrer grossen W~irmeausdehnung schrumpft beim AbkOhlen auf die Glasperle auf. Solche Druckglaseinschmelzungen sind mechanisch robust, da die Druckspannungen erst kompensiert werden mtissen, bevor die ftir Glas ge- f~hrlichen Zugspannungen entstehen. Die Anker und

die Stirnfliiche des Kontaktstiftes tragen als Kontakt- werkstoff Molybd~in. Die Anker sind zus~'tzlich mit einer diannen Edelmetallschicht tiberzogen.

7. Aufbau des bistabilen Relais

Aufbau und Flussverteilung der bistabilen Relais mit Schutzgaskontakten im Metallgehiiuse ist in Bild 6 schematisch dargestellt. Der Kontaktstift wird von einer Spule umfasst, wa'hrend der Dauermagnet zwischen der Grundplatte des Kontaktes sowie einer Flussleitplatte liegt, die magnetisch leitend mit dem Kontaktstift verbunden ist. Parallel zum Magnet ver-

Bild 6. Aufbau und Flussverteilung eines bistabilen Relais mit einem Kontakt.

Fig. 6. Mode of operation and flux distribution of a bistable relay with one contact.

60 R. Nitsch/B&tablle Relais mit abgeschlossenen Kontakten

l~iuft der Nebenschlusskreis und zwar tiber einen Blech- btigel, der zugleich das Relais nach aussen abschirmt. Die Wirkungsweise wurde bereits an Hand yon Bild 4 beschrieben; in Bild 6 wird das Ansprechen durch das Zusammenwirken der yon Spule und Dauermagnet erzeugten magnetischen Fltisse gezeigt.

Den Schnitt durch ein bistabiles Relais mit einem Kontakt zeigt Bild 7. Der Dauermagnet ist als dunkle Fl~iche zu erkennen. Bei einem Relais mit zwei Kon- takten, dessen Wirkungsweise v611ig analog ist, wird der Magnet zwischen den beiden Kontakten, welche magnetisch in Reihe liegen, eingeklemmt. Die Einzel-

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Bild 7. Schmitt durch ein bistabilen Relais mit einem Kontakt. Bild 8, Bistabiles Relais mit zwei Kontakten.

Fig. 7. Cross section through a bistable relay with one contact. Fig. 8. Bistable relay with two contacts.

Bild 9. Bistabile Relais mit zwei Kontakten, verschiedene Ansichten.

Fig. 9. Bistable relays with two contacts, different views.

R. Nitsch/Bistabile Relais mit abgeschlossenen Kontakten 61

4

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Bild 10. Magnetische Zugkraft und Federkraft im bistabilen Koppelrelais als Funktion des Kontaktabstandes.

Fig. 10. Magnetic force and spring tension in the bistable relay as a function of contact gap.

zelteile und die Montage dieses 2-kontaktigen Relais zeigt Bild 8, komplette Relais Bild 9.

8. Dimensionierung des bistabilen Relais

Die magnetische Zugkraft ohne Spulenerregung (1), sowie fiir eine positive (2) und negative Erregung (3) und die Federkraft (4) sind als Funktion des Abstandes x zwischen Anker und Kontaktstift in Bild 10 aufge- tragen. Bei voller Kontakt6ffnung d liegen die Anker mit der Vorspannung F v am Deckel des Kontakt- geh~uses an, wobei die Beschleunigungsfestigkeit des offenen Kontaktes gegen Schliessen umso gr6sser ist, je gr6sser die Differenz AF zwischen Federspannung und magnetischer Zugkraft bei nichterregter Spule ist. Die Beschleunigungsfestigkeit des bet/itigten Kontaktes gegen 0ffnen wird hingegen durch die Kontaktkraft

F k bestimmt. Das Einstellen der dritten neben der Federvorspan-

Bild 11. Baugruppe mit 128 2-kont. Relais.

Fig. 11. Matrix consisting of 128 bistable relay, two contacts each.

62 R. Nitsch/Bistabile Relais mit abgeschlossenen Kontakten

Tabelle 1

Table 1

Relaismasse 7,5 g Grundfl~iche 12,3X 15 mm 2 H6he tiber Leiterplatte 16,6 mm Dauer der Steuerimpulse 2,5 ms Ansprecherregung (Koppelfeld) 46 AW Ansprechleistung 165 mW Abwerferregung (Koppelfeld) 45 AW Beschleunigungsfestigkeit >20 g (11 ms Stoss) Bewegte Masse der beiden Anker 40 mg

nung F v und Kontakt6ffnung d (welche bereits am Kontakt justiert werden) fiir die Funktion wichtigen Gr6sse, n~imlich der Magnetisierung des permanenten Magneten, die den Verlauf der magnetischen Kennlinie bei nichterregter Spule bestimmt, geschieht am fertig montierten Relais in einem Justierautomat. Der Magnet wird roll aufmagnetisiert und anschliessend schrittweise bis zum Erreichen der gewtinschten Ansprech- bzw. Abwerferregung entmagnetisiert. Dabei wird gleich- zeitig der Magnet gegen irreversible .~nderungen stabilisiert.

Als Magnetwerkstoff werden harte Ferrite verwendet,

deren erheblicher Temperaturgang durch ein beigelegtes Kompensationsblech aus Thermoflux mit einer Curie- temparatur yon ca. 90°C weitgehend kompensiert wird. Die Querschnitte von Kontaktstift, Magnet und Neben- schluss sind so bemessen, dass auch im ungtinstigsten Fall eine teilweise Entmagnetisierung des Dauermagneten dutch die eigene Relaisspule ausgeschlossen ist.

Einige technische Details aus dem Datenblatt for das 2-kontaktige Relais sind in Tabelle 1 zusammenge- stellt.

9. Baugruppen mit bistabilen Relais

Jeweils 128 2-kontaktige Relais werden auf einer Leiterplatte angeordnet (Bild 11). Die Verbindung der Einheit mit der Gestellverdrahtung erfolgt tiber Stecker. Durch eine geeignete Anordnung der Relais auf der Platte wurde die durch unvermeidliche magnetische Streuung bewirkte gegenseitige Beeinflussung kompen- siert. Zwecks Ansteuerung ist jedem Relais eine Doppel- diode zugeordnet.

Die gezeigte Baugruppe ist ftir den Aufbau von Sprechwegenetzwerken im neuen elektronisch ge- steuerten Fernsprech-Vermittlungssystem EWS der Deutschen Bundespost vorgesehen.