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EP0484587B1 - Elektromagnetisches Relais mit Regelbaustein - Google Patents

Elektromagnetisches Relais mit Regelbaustein Download PDF

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Publication number
EP0484587B1
EP0484587B1 EP90121500A EP90121500A EP0484587B1 EP 0484587 B1 EP0484587 B1 EP 0484587B1 EP 90121500 A EP90121500 A EP 90121500A EP 90121500 A EP90121500 A EP 90121500A EP 0484587 B1 EP0484587 B1 EP 0484587B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
integrated circuit
flat
relay
relay according
coupling section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP90121500A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0484587A1 (de
Inventor
Florenz Dipl.-Ing. Von Guttenberg (Fh)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to ES90121500T priority Critical patent/ES2074511T3/es
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP90121500A priority patent/EP0484587B1/de
Priority to AT90121500T priority patent/ATE125640T1/de
Priority to DE59009448T priority patent/DE59009448D1/de
Priority to US07/783,808 priority patent/US5170322A/en
Priority to CA002055004A priority patent/CA2055004A1/en
Priority to PT99459A priority patent/PT99459B/pt
Priority to JP3292665A priority patent/JPH0589758A/ja
Publication of EP0484587A1 publication Critical patent/EP0484587A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0484587B1 publication Critical patent/EP0484587B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/12—Ventilating; Cooling; Heating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/02—Bases; Casings; Covers
    • H01H50/021—Bases; Casings; Covers structurally combining a relay and an electronic component, e.g. varistor, RC circuit

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic relay with a housing, with coil connection elements led out of the housing.
  • a relay according to the preamble of claim 1 is known from EP-A-0 281 950.
  • relays for certain purposes to regulate the control voltage or the coil current with a high thermal load both due to high switching currents inside the relay and high ambient temperatures.
  • a typical application for such relays is the motor vehicle, where the contacts have to carry very high currents at low voltages, while the ambient temperature fluctuates greatly and can be, for example, up to 125 ° C. If you add the self-heating of the relay, there are thermal loads of up to 200 ° C, which an integrated circuit cannot cope with. Precisely because of the strong temperature fluctuations, however, regulation of the control voltage is desired or necessary, in which case the control module would also like to be accommodated in the relay housing in order to save space and assembly.
  • the object of the invention is to provide a relay of the type mentioned with an integrated circuit housed in the relay housing as a control module, in which the harmful effects of elevated temperatures, be it through the heat loss in the coil and contacts, be it through the self-heating of the circuit, can be eliminated or at least significantly reduced with as little design effort as possible.
  • the flat plugs as used for example for automotive relays, have a width of 6.3 or 9.5 mm and a thickness of 0.8 to 1.2 mm. With such a large cross-section, good heat dissipation is possible since the wiring connected to the flat plug via a jack or a cable lug carries the heat on.
  • the large cross-section of the tabs for the connection elements of the contacts is important because of the high switching currents, while the coil connections per se only have to carry a relatively low current. According to the standard, however, the coil connection tabs have the same cross-section. For the control module to be connected to the coil, there is thus an additional advantageous utilization of this large plug cross section, which is present anyway, for heat dissipation.
  • the coupling section of the flat connector is expediently arranged above it in such a way that the circuit is shielded from heat sources in the relay.
  • the thermal coupling between the integrated circuit and the flat connector can be carried out by a thermal paste or by other means if the IC and the flat connector are installed as separate parts.
  • the integrated circuit can also be arranged flat between parallel coupling sections of two flat plugs in thermally conductive coupling, it being firmly connected to at least one of the flat plugs. In this case, heat is dissipated via two flat plugs and is therefore even more effective. If the materials permit, the integrated circuit can be firmly connected to both flat plugs, one connection of the circuit being contacted with one of the flat plugs. However, if a relative movement due to the thermal expansion of the different parts has to be taken into account, only one of the flat plugs is firmly connected to the IC, while the second flat plug is connected loosely, but also thermally conductive, and contacted via a flexible connection with the corresponding connection element of the IC .
  • the integrated circuit can be arranged, preferably embedded, with the respective coupling section of the flat plug or the flat plug together at least partially within the base plate. Different types of fastening are possible. When inserted into recesses in the base plate the remaining openings are sealed by potting compound, whereby, for example, the flexible connections are covered and sealed. This is particularly advantageous if the flat plug with the integrated circuit is inserted or embedded in the region of a recess which is only accessible from the outside of the relay housing. In this case, subsequent sealing is definitely desirable.
  • Figure 1 basically shows the connection of a control module in the form of an integrated circuit 1 for controlling a coil 2 in a relay.
  • the coil connections 3 and 4 lead to the outside, which are partly connected directly and partly indirectly via the three connections 11, 12 and 13 of the integrated circuit to the coil 2 in the interior of the relay.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional illustration of a relay housing with a cap 6 and a base plate 5, the arrangement of the coil 2 and its connection to the coil connections 3 and 4, which are designed as tabs 31 and 41.
  • the flat plug 31 has on the inside of the base plate 5 a bent coupling section 32 which shields the IC 10 arranged in a recess 51 of the base plate 5 against the coil and against other heat sources, not shown, in the relay.
  • a good thermal connection between the IC 10 and the coupling section 32 of the flat plug is produced with a thermal paste 52.
  • FIGS. 3 and 4 show an integrated circuit 1 which is produced as a one-piece component with a coupling section 32 in the form of a cooling plate, the flat plug 31 being formed directly on this cooling plate.
  • the cooling plate in the form of the coupling section 32 directly forms the circuit connection 11 from FIG. 1, while the two connections 12 and 13 are led out separately.
  • the cooling plate in the form of the coupling section 32 can be anchored vertically according to FIG. 3 with the flat plug 31 or angled according to FIG. 4 in the base plate 5.
  • FIGS. 5 to 7 show an embodiment in which an angled coupling section 32 of the flat connector 31 and an angled second coupling section 42 of the flat connector 41 overlap in parallel.
  • the integrated circuit 10 is inserted between these two coupling sections in the overlap region, it being firmly connected to the coupling section 32, but is only loosely connected to the coupling section 42, but is also thermally conductive. Thermal conduction can also be ensured here using a thermal paste. Since the coupling section 42 also requires an electrical connection to the connection 13 of the IC 10, this connection 13a is designed to be flexible and contacted separately.
  • the two tabs with their coupling sections 32 and 42 are firmly anchored in the base plate 5 by inserting or embedding, the flexible connection 13a and the connection 12 led to the coil being accessible in an opening 7 to the interior of the housing. If necessary, this can The opening can be subsequently sealed or encapsulated by potting compound or the like.
  • FIG. 6 A similar arrangement of the flat plugs 31 and 41 is shown in FIG. 6, in which case a fixed coupling is provided between the IC 10 and the coupling section 42. A loose coupling is thus formed between the IC 10 and the coupling section 32; therefore, in this case, the connection 11 of the IC is contacted with the coupling section 32 via a flexible connection 11a.
  • FIG. 7 the arrangement of FIG. 6 has been modified to the extent that embedding or other anchoring of the coupling sections 32 and 42 is now carried out in such a way that a recess 8 is accessible from the outside.
  • this recess can be subsequently sealed with potting compound 9.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Relais mit einem Gehäuse, mit aus dem Gehäuse herausgeführten Spulen-Anschlußelementen. Ein solches Relais gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus EP-A-0 281 950 bekannt.
  • Es ist darüberhinaus bereits bekannt, bei einem elektromagnetischen Relais in einer nach außen offenen Kammer der Bodenplatte einen Regelbaustein unterzubringen, dessen Anschlußstifte parallel zu den Anschlußstiften des Relais angeordnet sind (DE 36 14 919 C2). Solange dieses bekannte Relais in normalen Umgebungstemperaturen betrieben wird, wird sich der Regelbaustein mit elektronischen Bauelementen auch nicht unzulässig erwärmen, so daß die Funktion gewährleistet ist. Bei diesem und bei anderen bekannten Relais mit innerhalb des Gehäuses angeordneten integrierten Schaltkreisen ist jedoch bisher ein sicherer Betrieb nur gewährleistet, wenn die thermische Belastung durch Spulenerwärmung und Kontakte sowie Umgebungstemperatur nicht über die Belastbarkeit elektronischer Bauelemente hinausgeht. Derartige integrierte Schaltkreise sind nur bis zu einer oberen Grenztemperatur von 150° C belastbar. Darüber hinausgehende Temperaturen verkürzen die Lebensdauer dieser Bauelemente erheblich.
  • Nunmehr besteht jedoch bei Relais für bestimmte Einsatzzwecke das Bedürfnis nach einer Regelung der Steuerspannung bzw. des Spulenstroms bei gleichzeitig hoher thermischer Belastung sowohl durch hohe Schaltströme im Relaisinneren als auch durch hohe Umgebungstemperaturen. Ein typischer Einsatzfall für derartige Relais ist das Kraftfahrzeug, wo die Kontakte bei niedrigen Spannungen sehr hohe Ströme führen müssen, während die Umgebungstemperatur stark schwankt und beispielsweise bis zu 125° C betragen kann. Nimmt man die Eigenerwärmung des Relais hinzu, so ergeben sich thermische Belastungen bis zu 200° C, die ein integrierter Schaltkreis nicht verkraftet. Gerade wegen der starken Temperaturschwankungen ist aber eine Regelung der Regelspannung erwünscht oder erforderlich, wobei man zur Platz- und Montageersparnis den Regelbaustein auch in diesem Fall in dem Relaisgehäuse unterbringen möchte.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Relais der eingangs genannten Art mit einem im Relaisgehäuse untergebrachten integrierten Schaltkreis als Regelbaustein zu schaffen, bei dem die schädlichen Einflüsse erhöhter Temperaturen, sei es durch die Verlustwärme in Spule und Kontakten, sei es durch die Eigenerwärmung des Schaltkreises, mit möglichst geringem konstruktivem Aufwand beseitigt oder zumindest wesentlich vermindert werden können.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines oder auch mehrerer Flachstecker im Relais als Kühlblech für den integrierten Schaltkreis kann eine wirksame Wärmeableitung erfolgen, ohne daß zusätzliche Teile erforderlich wären. Die Flachstecker, wie sie beispielsweise für Kfz-Relais normgemäß eingesetzt werden, besitzen normgemäß eine Breite von 6,3 oder 9,5 mm bei einer Dicke von 0,8 bis 1,2 mm. Mit einem derartig großen Querschnitt ist eine gute Wärmeableitung möglich, da die mit dem Flachstecker über eine Steckfassung oder über einen Kabelschuh verbundene Verkabelung die Wärme weiterführt. Bei bisherigen Relais ist der große Querschnitt der Flachstecker für die Anschlußelemente der Kontakte wegen der hohen Schaltströme wichtig, während die Spulenanschlüsse an sich nur einen relativ geringen Strom zu führen haben. Normgemäß besitzen aber die Spulenanschluß-Flachstecker den gleichen Querschnitt. Für den an die Spule anzuschließenden Regelbaustein ergibt sich somit eine zusätzliche vorteilhafte Ausnutzung dieses ohnehin vorhandenen großen Steckerquerschnitts zur Wärmeableitung.
  • Wird der integrierte Schaltkreis auf einer Sockelplatte des Gehäuses bzw. in einer Vertiefung der Sockelplatte angeordnet, so wird zweckmäßigerweise der Koppelabschnitt des Flachsteckers so über ihm angeordnet, daß der Schaltkreis gegen Wärmequellen im Relais abgeschirmt wird. Dabei kann die thermische Kopplung zwischen dem integrierten Schaltkreis und dem Flachstecker durch eine Wärmeleitpaste oder durch sonstige Mittel vorgenommen werden, wenn der IC und der Flachstecker als getrennte Teile montiert werden. Es ist aber auch möglich, den IC nach Art eines Leistungshalbleiters von vorneherein einstückig mit einem integrierten Kühlblech zu versehen, an welchem der Flachstecker einstückig als Fortsatz angeformt ist. In diesem Fall kann ein Anschluß des Schaltkreises direkt mit dem Kühlblech bzw. Flachstecker elektrisch kontaktiert sein.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der integrierte Schaltkreis auch flach zwischen parallelen Koppelabschnitten von zwei Flachsteckern in wärmeleitender Kopplung angeordnet sein, wobei er zumindest mit einem der Flachstecker fest verbunden ist. In diesem Fall wird also die Wärmeableitung über zwei Flachstecker vorgenommen und damit noch wirkungsvoller. Der integrierte Schaltkreis kann, wenn die Materialien dies zulassen, mit beiden Flachsteckern fest verbunden sein, wobei je ein Anschluß des Schaltkreises mit einem der Flachstecker kontaktiert wird. Ist jedoch eine Relativbewegung aufgrund der thermischen Ausdehnung der verschiedenen Teile zu berücksichtigen, so wird lediglich einer der Flachstecker fest mit dem IC verbunden, während der zweite Flachstecker lose, jedoch ebenfalls wärmeleitend, angekoppelt und über eine flexible Verbindung mit dem entsprechenden Anschlußelement des IC kontaktiert wird.
  • Der integrierte Schaltkreis kann mit dem jeweiligen Koppelabschnitt des Flachsteckers bzw. der Flachstecker zusammen zumindest teilweise innerhalb der Sockelplatte angeordnet, vorzugsweise eingebettet sein. Möglich sind verschiedene Befestigungsarten. Beim Einstecken in Ausnehmungen der Sockelplatte können die verbleibenden Öffnungen durch Vergußmasse verschlossen werden, wodurch beispielsweise die flexiblen Verbindungen abgedeckt und abgedichtet werden. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn das Einstecken oder die Einbettung der Flachstecker mit dem integrierten Schaltkreis im Bereich einer nur von der Außenseite des Relaisgehäuses zugänglichen Vertiefung vorgenommen ist. In diesem Fall ist eine nachträgliche Abdichtung auf jeden Fall wünschenswert.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
    • Figur 1 die grundsätzliche Schaltung eines Regelkreises mit einer Spule in einem Relaisgehäuse,
    • Figur 2 ein schematisch dargestelltes Relaisgehäuse mit einem abgeschirmten IC im Bereich einer Sockelplatte,
    • Figur 3 und 4 einen Ausschnitt aus einer Sockelplatte mit einem Flachstecker, der als Kühlblech mit einem integrierten Schaltkreis ein einheitliches Bauelement bildet,
    • Figur 5 bis 7 eine Anordnung eines integrierten Schaltkreises zwischen zwei Kühlblechen in verschiedenen Positionen in einer Sockelplatte.
  • Figur 1 zeigt grundsätzlich die Anschaltung eines Regelbausteins in Form eines integrierten Schaltkreises 1 zur Ansteuerung einer Spule 2 in einem Relais. Nach außen führen dabei die Spulenanschlüsse 3 und 4, welche im Relaisinneren zum Teil direkt und zum Teil indirekt über die drei Anschlüsse 11, 12 und 13 des integrierten Schaltkreises mit der Spule 2 verbunden sind.
  • Figur 2 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eines Relaisgehäuses mit einer Kappe 6 und einer Sockelplatte 5 die Anordnung der Spule 2 und ihre Verbindung mit den Spulenanschlüssen 3 und 4, welche als Flachstecker 31 und 41 ausgebildet sind. Der Flachstecker 31 besitzt an der Innenseite der Sockelplatte 5 einen abgebogenen Koppelabschnitt 32, welcher den in einer Vertiefung 51 der Sockelplatte 5 angeordneten IC 10 gegen die Spule und gegen andere, nicht dargestellte Wärmequellen im Relais abschirmt. Mit einer Wärmeleitpaste 52 ist eine gute thermische Verbindung zwischen dem IC 10 und dem Koppelabschnitt 32 des Flachsteckers hergestellt.
  • In den Figuren 3 und 4 ist ein integrierter Schaltkreis 1 gezeigt, der als einstückiges Bauelement mit einem Koppelabschnitt 32 in Form eines Kühlbleches hergestellt ist, wobei an diesem Kühlblech der Flachstecker 31 unmittelbar angeformt ist. Das Kühlblech in Form des Koppelabschnittes 32 bildet dabei unmittelbar den Schaltkreisanschluß 11 von Figur 1, während die beiden Anschlüsse 12 und 13 getrennt herausgeführt sind. Das Kühlblech in Form des Koppelabschnittes 32 kann gemäß Figur 3 senkrecht stehend mit dem Flachstecker 31 oder gemäß Figur 4 abgewinkelt in der Sockelplatte 5 verankert sein.
  • In den Figuren 5 bis 7 ist eine Ausgestaltung gezeigt, bei der ein abgewinkelter Koppelabschnitt 32 des Flachsteckers 31 und ein abgewinkelter zweiter Koppelabschnitt 42 des Flachsteckers 41 einander parallel überlappen. Zwischen diesen beiden Koppelabschnitten ist im Überlappungsbereich der integrierte Schaltkreis 10 eingefügt, wobei er mit dem Koppelabschnitt 32 fest verbunden, mit dem Koppelabschnitt 42 jedoch nur lose, jedoch auch wärmeleitend verbunden ist. Die Wärmeleitung kann auch hierbei durch eine Wärmeleitpaste sichergestellt werden. Da der Koppelabschnitt 42 auch eine elektrische Verbindung mit dem Anschluß 13 des ICs 10 erfordert, ist diese Verbindung 13a flexibel ausgebildet und getrennt kontaktiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Flachstecker mit ihren Koppelabschnitten 32 und 42 in der Sockelplatte 5 durch Einstecken oder Einbetten fest verankert, wobei die flexible Verbindung 13a und der an die Spule geführte Anschluß 12 in einer Öffnung 7 zum Gehäuseinneren zugänglich sind. Falls notwendig, kann diese Öffnung nachträglich durch Vergußmasse oder dergleichen verschlossen oder umspritzt werden.
  • In Figur 6 ist eine ähnliche Anordnung der Flachstecker 31 und 41 gezeigt, wobei in diesem Fall eine feste Ankopplung zwischen dem IC 10 und dem Koppelabschnitt 42 vorgesehen ist. Zwischen dem IC 10 und dem Koppelabschnitt 32 ist somit eine lose Ankopplung gebildet; deshalb wird in diesem Fall der Anschluß 11 des IC über eine flexible Verbindung 11a mit dem Koppelabschnitt 32 kontaktiert.
  • In Figur 7 ist die Anordnung von Figur 6 insoweit abgewandelt, als nunmehr eine Einbettung oder sonstige Verankerung der Koppelabschnitte 32 und 42 derart vorgenommen ist, daß eine Vertiefung 8 von außen zugänglich ist. Um die flexiblen Verbindungen 12a und 13a in diesem Fall zu schützen, kann diese Vertiefung nachträglich mit Vergußmasse 9 verschlossen werden. Es ist in diesem Fall aber auch denkbar, die Flachstecker und den integrierten Schaltkreis gemeinsam in die Sockelplatte 5 so einzubetten, daß alle Anschlüsse von vorneherein isoliert und abgedichtet sind.

Claims (8)

  1. Elektromagnetisches Relais mit einem Gehäuse, mit aus dem Gehäuse herausgeführten Spulen-Anschlußelementen (3, 4) in Form von Flachsteckern (31, 41) und mit mindestens einem zusätzlichen, mit den Spulen-Anschlußelementen (3, 4) gekoppelten Bauelement (1), dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Bauelement ein Regelbaustein (1) in Form eines integrierten Schaltkreises (10) ist und daß zumindest eines der Spulenanschlußelemente (31, 41) als Kühlblech mit einem Koppelabschnitt (32, 42) seiner Flachseite thermisch an das Substrat des integrierten Schaltkreises (10) gekoppelt ist.
  2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis (10) auf einer Sockelplatte (5) des Gehäuses bzw. in einer Vertiefung (51) der Sockelplatte (5) angeordnet ist und durch den Koppelabschnitt (32) des Flachsteckers (31) gegen Wärmequellen im Relais abgeschirmt ist.
  3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Kopplung zwischen dem integrierten Schaltkreis (10) und dem Flachstecker (31, 41) durch eine Wärmeleitpaste (52) vorgenommen ist.
  4. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis (1) nach Art eines Leistungshalbleiters mit einem integrierten Kühlblech in Form eines Koppelabschnittes (32) versehen ist, an welchem ein Flachstecker (31) als Fortsatz angeformt ist.
  5. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis (10) flach zwischen parallelen Koppelabschnitten (32, 42) von zwei Flachsteckern (31, 41) in wärmeleitender Kopplung angeordnet ist, wobei er zumindest mit einem der Flachstecker verbunden ist.
  6. Relais nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis (10) mit dem zweiten Flachstecker lose gekoppelt und über eine flexible Verbindung (11a; 13a) kontaktiert ist.
  7. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis (10) mit dem jeweiligen Koppelabschnitt (32; 42) des Flachsteckers bzw. der Flachstecker (41; 42) innerhalb der Sockelplatte (5) zumindest teilweise eingebettet ist.
  8. Relais nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der flexiblen Verbindung (11a; 12a; 13a) mit Vergußmasse (9) abgedichtet oder in Vergußmasse eingespritzt ist.
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