DE2160251A1 - Elektronisches Relais - Google Patents

Description

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG,

FREIBURG I.B.

Elektronisches. Relais

Die Priorität der Anmeldung Nr. 7 045 120 vom 15. Dez. 1970 in Frankreich wird beansprucht.

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Relais, das von Festkörperbauelementen gebildet wird, also ein sogenanntes Festkörperrelais, und bezieht sich im besonderen auf ein elektronisches Relais, das bezüglich seiner Ansteuerung einen weiten Gleich- oder Wechseispannungsbereich aufweist und eine sehr große Eingangsempfindlichkeit besitzt, sowie einen die daran angeschlossene Last mit Wechselstrom versorgenden Ausgang.

In vielen Fällen genügen elektromechanische Relais den gestellten Anforderungen immer weniger, da die auftretenden Probleme beispielsweise Probleme der Schaltgeschwindigkeit, der Zuverlässigkeit, der Unterhaltung, der LeistungsVersorgung seitens von Steuersignalen geringer Amplitude sind.

Die den elektromechanischen Relais eigenen Probleme sind wohlbekannt. Ihre Schaltgeschwindigkeit wird durch ihre Ansprechzeit begrenzt, die von ihnen verbrauchte Ansprechenergie ist nicht vernachläesigbar und das Kontaktprellen, das in gewissem

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Maße bei den relativ trägen elektromagnetischen Anordnungen auftreten kann, ist mit elektronischen Anordnungen nicht mehr verträglich. Außerdem sind elektromechanische Relais oft gegen Stöße und Vibrationen empfindlich und erfordern eine periodische überwachung oder Einstellung. Darüberhinaus verhindert die Bildung von Lichtbogen beim Schalten induktiver Lasten in bestimmten Anwendungsfällen, wie z.B. in Abbrand verursachendem Milieu, und der daraus entstehende Kontaktbrand ihre Anwendung. Außerdem ist man genötigt, andere Elemente vorzusehen, wie z.B. Funkenlöschfilter, zur Ausschaltung parasitärer Hochfrequenz, die aufgrund dieses Lichtbogens entsteht.-

Wenn man darüberhinaus eine Last mit Strom in Abhängigkeit von Steuersignalen geringer Energie versorgen will, so ist man gezwungen, eine ganze Kaskade elektromagnetischer Elemente zu verwenden, deren Eingangs- und Ausgangscharakteristik die beabsichtigten Werte schließlich zu erreichen gestattet. Ebenso kann man beispielsweise ein Relais mit in einer dichten Umhüllung untergebrachten Kontakten verwenden, das den Vorteil bietet, gegenüber schwachen Eingangssignalen empfindlich zu sein, dessen Ausgangssignal jedoch von einem Miniaturrelais benutzt werden sollte, zumal die Charakteristik dieses Relais die Versorgung eines größeren Relais erlaubt, das seinerseits den Kontaktsatz der mit Strom zu versorgenden Last steuert.

Diese Nachteile können ausgeschaltet werden, indem die elektromechanischen Relais durch dieselben Funktionen erfüllende Anordnungen ersetzt werden, die aber aus elektronischen Bauelementen und vorzugsweise aus Festkörperbauelementen bestehen. Damit gibt es keine beweglichen Teile, keinen Kontaktabbrand, keine Einstellung, keine Kontaktprellprobleme und keine Licht bogenbildung mehr. Die Schaltgeschwindigkeit von Halbleiterbau-

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elementen und ihre Ansprechzeit erlauben eine Lösung der geschilderten Probleme hinsichtlich der Funktionsgeschwindigkeit des Relais. Außerdem sichert die Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen praktisch eine unbegrenzte Lebensdauer und ermöglicht das Funktionieren auch unter Bedingungen starker Stoßbeschleunigungen, Vibrationen und schwierigen Atmosphären .

Andererseits weisen die bisher verwendeten elektronischen Relais einige Probleme auf. Das ist vorallem hinsichtlich der galvanischen Trennung von Eingangs- und Ausgangskreie der Fall, die ebenso extrem wichtig ist wie die galvanische Trennung bei elektromechanischen Relais. Die Verzerrung der Eingangssignale darf keinen Einfluß auf das Funktionieren oder die Betätigung des Relais haben. Bei gewissen meßtechnischen Anwendungen müssen elektronische Relais eine niedrige und präzise Einschalt- und AusschaltschwalIe mit geringem Umkehrniveau zwischen beiden aufweisen. Sie müssen kurzzeitig auftretende Überspannungen aushalten können, ohne dadurch zerstört zu werden. Diese Relais müssen zum Ansprechenkönnen auf schwache Signale ausgelegt sein, wie sie beispielsweise von integrierten Schaltungen stammen, so daß sie als Zwischenstufe zwischen logischen Schaltungen und leistungsverbrauchenden Schaltkreisen, wie z.B. Motoren, Heizwiderständen, Lampen und Elektroschiebern etc. dienen können. Darüberhinaus ist man, um die Entstehung parasitärer Hochfrequenzen zu verhindern, in gewissen Anwendungsfällen geneigt, ein Relais vorzusehen, dessen Anzug und Abfall nur beim Nulldurchgang des steuernden Wechselsignals erfolgt. Dieses Relais kann ebenso eine einfache und kompakte Form aufweisen, so daß es leicht befestigt oder in.eine Mehrzahl von klassischen Typen oder in ein auf gedruckte Schaltungskarten montiertes Modulsystem aufgenommen werden kann.

Die Erfindung betrifft somit ein elektronisches Relais zum Schalten

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der Stromversorgung einer Last in Abhängigkeit von einem Eingangsgleich- oder -Wechselstromsignal.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, verschiedene Typen elektronischer Relais anzugeben, die die geschilderten Anforderungen erfüllen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Eingangssignal einem Regelschaltungsteil zugeführt ist, der mit einem von ihm erzeugten konstanten Strom nach Glättung der Stromwelligkeit einen Mittelfrequenzgenerator speistr wobei die Schaltelemente dieser Schaltungsteile den von dem Stromversorgungsteil durch ein die galvanische Trennung gewährleistendes Bauelement getrennten Steuerteil des elektronischen Relais bilden, daß das vom Mittelfrequenzgenerator erzeugte Signal nach der galvanischen Trennung einem Verstärker zugeführt ist und daß das Ausgangssignal des Verstärkers" den Schaltzustand eines bidirektionalen Bauelements bestimmt, der seinerseits die Stromversorgung der an die Ausgangsklemmen des elektronischen Relais angeschlossenen Last bestimmt.

Die Erfindung wird nun anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. l zeigt in Form eines Blockschaltbildes die verschiedenen von einem elektronischen Relais nach der Erfindung er- < füllten Funktionen;

Fig. 2 zeigt im Detail die Schaltung eines elektronischen Relais nach der Erfindung?

Fig. 3 zeigt den Eingangskreis eines auf Gleichstrom an sprechenden elektronischen Relais nach der Erfindung;

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Pig. 4 zeigt das detaillierte Schaltbild des Verstärkers und der Stromversorgung eines normalerweise bei Abwesenheit eines Steuersignals die Last versorgenden elektronischen Relais nach der Erfindung und

Fig. 5 zeigt das Schaltbild des Verstärkers und die Stromversorgung eines elektronischen Relais nach der Erfindung, dessen Anzug und Abfall zum Zweck des Ansprechenlassens während des Nulldurchgangs des steuernden Signals synchronisiert sind.

Fig. 1 zeigt schematisch die einzelnen Funktionen des elektronischen Relais nach der Erfindung. Wenn ein Signal an den Eingangsklemmen 1 und 2 des Relais auftritt, wird nach Gleichrichtung im Schaltungsteil 3 eine entsprechende Polarität an den Regelschaltungsteil 4 angelegt. Dieser versorgt die Oszillatorschaltung 5 unabhängig von der Amplitude des Eingangssignals mit konstantem Strom. Das von der Oszillatorschaltung gelieferte Signal wird zum Verstärker 7 unter Zwischenschaltung des Trenntransformators 6 weitergeleitet. Das Ausgangssignal des Verstärkers 7 steuert schließlich die Leistungsbauelernente des Ausgangsschaltungsteils 8, womit die Stromversorgung einer zwischen die Ausgangsklemmen 9 und 10 des Relais geschalteten Last ermöglicht wird.

Die Fig. 2 zeigt im Detail die bei einem Ausführungsbeispiel verwendeten Schaltungsteile, um die oben beschriebenen Funktionen zu erfüllen. Wenn ein Gleich- oder Wechselstromsignal an die Eingangsklemmen 11 und 12 angelegt wird, ist die Anordnung der von den Dioden 13, 14, 15 und 16 gebildeten ersten Gleichrichterbrücke derart, daß an der Klemme 17 der Gleichrichterbrücke immer ein Potential auftritt, dessen Wert höher ist als das Potential der Klemme 18. Vergleicht man allein diese beiden Potentiale unabhängig von ihrem Wert, so stellt

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man fest, daß das positive Potential an der Klemme 17 und das negative an der Klemme 18 anliegt.

Diese beiden Potentiale ergeben die Vorspannung des Transistors 19 vom npn-Typ. Die Basis wird durch den Strom vorgespannt, der über die Widerstände 2o, 21, 22 und 23 fließt. Die Diode 25 ist derart der Serienschaltung der Widerstände 21, 22 und 23 parallelgeschaltet, daß die Basisvorspannung auf einem bestimmten Wert festgehalten wird.

Somit werden der Basisstrom und folglich auch der Emitter- und der Kollektorstrom konstant gehalten. Wenn die Spannung zwischen den Punkten 26 und 27 die Abbruchspannung der Z-Diode überschreitet, wird diese leitend und übernimmt die Rolle einer Stromableitung, so daß die zwischen den Punkten 26 und 27 auftretende Spannung vermindert wird und die Basisspannung des Transistors 19 auf den normalerweise für diesen Transistor vorgesehenen Wert zurückgenommen wird.

Die Basisvorppannung bestimmt den über den Basis-Emitter-pn-Ubergang des Transistors 19 fließenden Strom, welcher Stromkreis sich über den Emitterwiderstand 24 wieder schließt und somit den Kollektorstrom bestimmt. Beim Widerstand 23 handelt es sich um einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten , womit die Auswirkungen von Umgebungstemperaturänderungen auf die Kennwerte des Transistors 19 kompensiert werden.

Ebenso wie der Widerstandswert des Bauelements 23 sich vermindert, wenn die Temperatur steigt, werden die Widerstandsänderungen der anderen die Basisvorspannung des Transistors beeinflussenden Bauelemente kompensiert, so daß eine konstante Basisvorspannung aufrechterhalten wird.

Trotz der von den Dioden 13 _r 14, 15 und 16 gebildeten Gleich-

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richterbrücke erscheint an deren Ausgang noch eine gewisse Brummspannung, wenn das den Eingangsklemmen 11 und 12 zugeführte Signal ein Wechselsignal ist, und diese Brummspannung wird vom Transistor 19 verstärkt. Deswegen ist der Kollektor des Transistors 19 mit einem aus den Kondensatoren 28,· 29 und dem Widerstand 30 gebildeten Filter verbunden, das der Unterdrückung dieser Brummspannung dient. Wenn der Widerstand 30 den Kollektor-Lastwiderstand des Transistors bildet, schützt der Widerstand 31 den Transistor 19 und läßt einen gewissen Stromanteil für den Fall an ihm vorbeifließen, daß die Spannung zwischen Emitter und Kollektor einen Wert annimmt, der für den Transistor gefährlich werden könnte.

Nach Durchlaufen der Regelschaltung,, die dem-Schaltungsteil 4 nach Fig. 1 entspricht, steuert das vom Transistor 19 gelieferte Gleichstromsignal die Oszillatorschaltung, die in Fig. l durch den Schaltungsteil 5 wiedergegeben ist. Nach Fig. 2 wird dieser Schaltungsteil von den Kondensatoren 29 und 32, dem weiteren Transistor 33 vom npn-Typ und der Primärwicklung 34 des Transformators 35 gebildet. Diese verschiedenen Bauelemente sind so angeordnet, daß sie einen Oszillator bekannter Art bilden, nämlich offensichtlich einen Colpitts-Oszillator. Mit diesem Oszillatortyp läßt sich die Anzahl der Bauelemente auf ein Minimum reduzieren, und er weist nur eine Regelmöglichkeit auf, um die Oszillatorfrequenz in einem gewissen Bereich zu beeinflussen.

Die den Oszillator bildenden Bauelemente können folgende beispielsweisen Werte aufweisen:

Kondensator 29 : 1 ,uF Kondensator 32 : 0,1 ,uF

Induktivität der Primärwicklung 34: 20 mH Transistor 33 : BC 171 A (ITT)

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Ein solcher Oszillator liefert eine Oszillatorfrequenz von 5 kHz.

An dieser Stelle sei bemerkt, daß das Eingangssignal nun in ein Wechselsignal geeigneter Frequenz umgewandelt ist. Dies ermöglicht eine Übertragung ohne jede galvanische Verbindung zu den übrigen Schaltungsteilen, die nun beschrieben werden sollen, wobei die übertragung durch Zwischenschaltung der Sekundärwicklung 36 des Transformators 34 vorgenommen wird.

Ferner sei bemerkt, daß die Last 37 im allgemeinen durch eine ψ Wechselstromversorgung von Netzfrequenz, beispielsweise von 50 oder 60 Hz, gespeist wird, während die Frequenz der an der Sekundärwicklung 36 auftretenden Spannung etwa 5 kHz beträgt, d.h. daß diese Frequenz ungefähr 100 mal größer ist als diejenige der die Last 37 versorgenden Stromversorgung.

Unter der Voraussetzung, daß im Moment, in dem das Gitter 38 ein Signal positiver Polarität erhält, die Halbwelle des Netzwechselstroms an der Klemme 3 9 eine positive ist, wird die Anode des gesteuerten Gleichrichters 40 genau zu diesem Zeitpunkt im Vergleich zur Kathode über die Diode 41 der zweiten Gleichrichterbrücke positiv vorgespannt, zu der außerdem die ik Dioden 42, 43 und 44 gehören» Die Zündbedingungen sind somit erfüllt, und der'gesteuerte Gleichrichter 40 wird eingeschaltet. Er bleibt solange unabhängig von den im weiteren Verlauf dieses Zeitintervalls an das Gitter 38 angelegten Signalen im leitenden Zustand, wie die Anode positiv bezüglich der Kathode ist. Der leitende Zustand des gesteuerten Gleichrichters 40 schaltet das Bauelement 45 in den leitenden Zustand, das die Rolle eines symmetrischen gesteuerten Unterbrechers spielt. Ein solches Element ist unter dem Namen Triac oder bidirektionaler Thyristor bekannt.

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Während der gesteuerte Gleichrichter 40 noch im leitenden Zustand ist_f gelangt die positive Spannung der an der Klemme 39 auftretenden Halbwelle über die Diode 41 der Gleichrichterbrücke, den gesteuerten Gleichrichter 40 „ den Widerstand 47 und die Diode 43 der Gleichrichterbrücke auch an das Gitter 46 des Triacs 45. Die obere Hauptelektrode des Triacs ist ebenfalls positiv bezüglich seiner unteren Hauptelektrode, und der Triac wird leitend, so daß die Last 37 nun zwischen den Klemmen 39 und 43 in Serie mit dem Triac 45 geschaltet ist und mit Strom versorgt wird_r wobei die Klemme 48 mit der Stromversorgung von Netzfrequenz verbunden ist»

Während der Triac im leitenden Zustand ist» bildet ©r einen Kurzschluß für die anderen Bauelemente und insbesondere für den gesteuerten Gleichrichter 14, der dann gesperrt ^ird.

Genau in dem Moment, in dem der in der Last fließende Ver~ sorgungsstrom seine Richtung ändert, sind die Ausgangsklemmen 39 und 48 auf gleichem [email protected], so daß zwischen d©n ■ Hauptanschlüssen das Triacs 45 keine Pofcential&ifferena mehr besteht» Somit hört dieser su leiten. auf_o In folgenden Zeitpunkt jedoch erscheint an der. Klemme 39 ein negatives Potential, das dem Beginn der negativen Halbwell® entspricht, während an der Klemme 48 ein positives Potential auftritt»

Die Anode des gesteuerten Gleichrichters 40 istsomit dem positiven Potential der Klemme 48 über die Diod® 44 der zweiten Gleichrichterbrücke, das Gitter 4β und den bi- . direktionalen übergang des Triacs 45 verbunden. Die Kathode des gesteuerten Gleichrichters 40 wird durch das negative Potential der Klemme 39 und dia Diode 42 der zweiten Oleichrichterbrücke über den Widerstand 47 vorgespannte

Zwei Fälle können nun eintreten« Entweder as tritt kein Signal

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mehr am Eingang des Relais auf oder es ist noch ein Signal vorhanden. Im ersteren Fall schwingt die Oszillatorschaltung nicht mehr, und es tritt am Gitter 38 des gesteuerten Gleichrichters 40 kein Potential mehr auf. Dieser bleibt somit gesperrt und verhindert den S.tromfluß_f der, in das Gitter 46 eingeprägt, den Triac 45 in den leitenden Zustand bringt. Auf diese Weise hört die Last 37 auf versorgt zu sein, und man erkennt, daß dieses Abschalten der Stromversorgung zu einem Zeitpunkt geschieht, der sehr nahe dem Äugenblick ist, wo der Versorgungsstrom durch Null geht»

Wenn andererseits ein Steuersignal an den Eingangsklemmein 11 und 12 des elektronischen Relais dauernd anliegt, so treten in der Sekundärwicklung 36 dauernd induzierte Spannungen auf, so daß ein Signal am Gitter 38 liegt. Der gesteuerte Gleichrichter 40 wird von neuem leitend und läßt in das Gitter 46 und den bidirektionalen übergang des Triacs 45 einen Strom fließen. Der Triac gelangt dann von neuem In den leitenden Zustand? wenn jedoch die Polaritäten an dea Ausgangsklemmen 39 und 48 gegenüber dem oben geschilderten Fall invers sind, dreht sich die Stromrichtung im Triac 45 ebenfalls um.

Somit wird die Last 37 aufgrund des bidirektionalen Leistungs» bauelemente, des Triacs 45, dessen Umschalten mit der Frequenz des Versorgungsstroms solange erfolgt, wie ein Steuersignal an den Eingangsklemmen des Relais anliegt, von einem Wechselstrom gespeist, der mit dem Netsversorgungsstrom identisch ist.

Der Varistor 49 dient dem Schutz gegen Überspannungen. Wenn nämlich die Spannung an seinen Klemmen plötzlich zu groß wird, so kann dies für den Fall, daß durch.ein zufälliges Ereignis die an den Klemmen 39 und 48 liegende Versorgungsspannung

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sich kurzzeitig vergrößert, dazu führen, daß der Varistor 49 leitend wird und einen Strom zum Gitter 46 des Triacs fließen läßt. Dieser gelangt somit vorübergehend in den leitenden Zustand und vernichtet somit die Oberspannung. Dieses Phänomen hat nur Übergangscharakter und keinen Ein- *" fluß auf die Last 37 wegen ihrer Trägheit.

Die Verwendung des Widerstandes 50 und des Kondensators 51 an den Klemmen des Triacs 45 unterdrückt Selbstinduktionseffekte, die beispielsweise aufgrund von Schließungs- oder Öffnungszusatzströmen auftreten, wenn die Last aufhört versorgt zu werden oder eingeschaltet wird, und ebenso genügend schnelle Spannungsänderungen, die die Grenzwerte des Triacs überschreiten und«ihn zerstören können.

Das eben beschriebene elektronische Relais kann als Universalrelais betrachtet werden. Es läßt nämlich an seinen Eingangsklemmen 11 und 12 sowohl Wechsel- als auch Gleichsignale zu. Um dies zu erreichen, muß man Bauelemente zulassen, die nur bei Anwesenheit von Eingangswechselsignalen ausgenutzt werden. Dies ist beispielsweise bei der aus den Dioden 13, 14, 15 und 16 bestehenden Gleichrichterbrücke der Fall. Ebenso ist der aus dem Filter (Bauelemente 28, 29, 30), dem Transistor 19 und den seiner Vorspannungserzeugung und seinem Schutz dienenden Bauelementen bestehende Regelschaltungsteil nur bei Wechseleingangssignalen nötig, die in einem beträchtlichen Amplitudenbereich auftreten können. Für den Fall, daß die Eingangssignale ausschließlich Gleichstromsignale sind oder solche von Rechteckform und in einem Amplitudenbereich von beispielsweise einigen Volt bis einigen 10 V liegen, ist es möglich, ein Relais vorzusehen, das nicht universeller Art ist, jedoch den Vorteil einfacherer Eingangsschaltungen aufweist.

Eine solche Schaltung ist in Fig. 3 gezeigt, wobei selbst-

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verständlich diejenigen Schaltungsteile, die sich bezüglich der Fig. 2 rechts von der Sekundärwicklung 36 befinden, bei diesem vereinfachten Relais identisch bleiben. Wenn ein Eingangssignal an die Klemmen 52 und 53 wegen der vorhandenen Diode 54 mit positiver Polarität an der Klemme 52 angelegt wird, fließt ein Strom zwischen den Klemmen 52 und 53 über die Diode 54 und den Widerstand 55. Dies veranlaßt im mit demjenigen von Fig. 2 identischen Oszillator Schwingungen, der von der Primärwicklung des Transformators, den Kondensatoren 56, 57 und dem Transistor 58 gebildet wird. Für den ^ Fall, daß das Relais auf andere Eingangsspannungen ansprechen soll, kann der Widerstandswert des Widerstandes 55 modifiziert werden. Somit handelt es sich um ein elektronisches Relais nach der*Erfindung.

Die galvanische Trennung zwischen Steuerteil und Leistungsteil geschieht, wie festgestellt werden kann, mittels eines Transformators und mittels der Erzeugung von Schwingungen. Es ist klar, daß dieses Merkmal der Erfindung keinen einschränkenden Charakter aufweist und daß man genau so gut eine Steuerung des Triacs mittels eines Relais mit in einer dichten Umhüllung untergebrachten Kontakten oder mittels einer optoelektronischen Anordnung ausführen könnte, wie dies allgemein bekannt ist.

Beim elektronischen Relais nach Fig. 2 wird der Triac 45 leitend, d.h. die Last 37 wird mit Strom versorgt, wenn ein Signal an den Klemmen 11 und 12 des Relais anliegt. Man kann auch sagen, daß dieses elektronische Relais in Ruhestellung oder anders ausgedrückt ohne Eingangssignal nicht arbeitet und die Last ohne Stromversorgung ist. Mit anderen Worten ist die Ausgangsschaltung in Ruhestellung normalerweise offen.

Andererseits führen Schaltungsbedürfnisse zur Verwirklichung eines elektronischen Relais, dessen Ausgangskreis im Ruhesustand

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normalerweise derart geschlossen, ist, daß die Stromversorgung der Last bei Abwesenheit von Eingangssignalen gewährleistet ist, während die Stromversorgung unterbrochen wird, wenn Steuersignale an den Eingangsklemmen des elektronischen Relais erscheinen. Ein solches Relais ist im einzelnen in Fig.4 gezeigt, wobei die nach Fig. 2 links von der Sekundärwicklung 36 des Transformators liegenden Schaltungsteile identisch mit denen von Fig. 2 sind und in Fig. 4 der Einfachheit halber deshalb weggelassen sind.

In Ruhestellung des elektronischen Relais liegt an den Eingangsklemmen kein Signal, der Oszillator nach Fig. 2 arbeitet nicht,und in der Sekundärwicklung 36 wird demzufolge keine Stromänderung induziert. Die Basis des Transistors 59 ist daher nicht vorgespannt, so daß dieser Transistor keinen Strom zieht. Gleichzeitig liegt an den Ausgangsklemmen 60 und 61 die Wechselstromversorgung von Netzfrequenz, die die Last 62 speist. Ebenso wie es bei der Beschreibung der Fig. 2 gezeigt wurde, liegt die Anode des gesteuerten Gleichrichters 63 an positivem Potential und zwar über die Diode 64, wenn die positive Halbwelle an der Klemme 6o liegt, und über die Diode 65 und den leitenden übergang des bidirektionalen Triacs 66, wenn die positive Halbwelle an der Klemme 61 liegt. Auf dieselbe Weise wird die Kathode des gesteuerten Gleichrichters 63 negativ über den Widerstand 67 und die Diode 68 oder über den Widerstand 67, die Diode 69 und den leitenden übergang des bidirektionalen Triacs 66 vorgespannt, je nach dem ob die negative Halbwelle an der Klemme 6ο oder 61 anliegt.

Nach jedem Nulldurchgang der an den Klemmen 60 und 61 anliegenden sinusförmigen Stromversorgung wird der gesteuerte Gleichrichter 63 von neuem eingeschaltet, da ja seLne Anode positiv bezüglLch der Kathode wird, wobei das GLtter 70 ebenEaLIs positiv über den Widerstand 71 und den gemeinsamen Verblnduiuja-

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punkt der Kathoden der Dioden 64 und 65 vorgespannt ist. Im Gitterkreis befindet sich äußerem die Z-Diode 74, die derart geschaltet ist, daß sie in Sperrichtung vorgespannt ist. Wenn die an die Klemmen angelegte Sperrspannung die Abbruchspannung übersteigt, befindet sich die Z-Diode 74 in leitendem Zustand. Daher fließt der Strom immer vom Anfang jeder Halbwelle an zum übergang des bidirektionalen Tria'cs 66 über sein Gitter 67, so daß der Triac einen Stromfluß ohne Gleichrichtung des die Last 62 versorgenden Wechselstroms ermöglicht. Somit ist diese bei Abwesenheit eines Eingangssignals des elektronischen Relais dauernd mit Strom versorgt.

Im Gegensatz hierzu tritt der Oszillator vom Zeitpunkt des Erscheinens eines Eingangssignals an so in Funktion, wie es bei der Erläuterung der Schaltung nach Fig. 2 oben beschrieben wurde, und es werden Stromänderungen in der Sekundärwicklung 36 ^f" induziert. Die Diode 72 ist in der Vorspannungsschaltung der Basis des Transistors 59 derart angeordnet, daß sie nicht von bezüglich des Emitters negativen Spannungen beeinflußt wird, was eintritt, wenn die Potentialdifferenz an den Sekundärwicklungsenden momentan und für die Dauer einer Halbwelle die obere Wicklungshälfte negativ bezüglich der unteren macht. Die die obere Wick^-ungshälfte positiv machenden Halbwellen spannen die Basis des Transistors 59 derart vor, daß er entsperrt wird. Der Kondensator 73 lädt sich während dieser Halbwellen auf und entlädt teilweise während der von der Diode 72 gesperrten Halbwellen, wodurch die durch die Form der Basisvorspannung gegebenen und die Schwingung vermindernden "Löcher" kompensiert werden.

Wenn der Transintor 59 entsperrt ist, befindet sich dessen KmLtter auf dem KathodenpotentLaL des gesteuerten Gleichrichter:« 6). Der dann über den WLderstand 71 fLLaßendö EmLtter-KoLLektor ·

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Strom bringt die Kathode der Ε-Diode 74 auf ein sehr nahe dem des Emitters des Transistors 5 9 und somit auch nahe dem der Kathode des gesteuerten Gleichrichters liegendes Potential» Die Spannung an den Klemmen, der 2»Diode 74 ist dann niedriger als die Abbruchspannung _r so daß die Z-Diode 74 gesperrt wird und auch das Gitter 70 sperrt«"Vom Ende jeder Halbwelle an im Augenblick des Nulldiarchgangs der sinusförmigen die Last 62 versorgenden Stromversorgung wird die Anoden-Kathoden-Spannung des gesteuerten Gleichrichters 63 ebenfalls zn null und dieser sperrt. Die Vorspannung des Gitters 67 des Triacs 66 kann nicht mehr aufrechterhalten v/erden _s wie dies' über den gesteuerten Gleichrichter 63 und die Dioden 64 und SS gewährleistet wäre, wenn die positive Halbwelle . - ■" der Ausgangsklemme 6o an den Dioden 65 und 68 liegt, da die positive Halbwelle an der Ausgangsklemme 61 liegt. Der Triac ββ wird somit gesperrt und die Last 62 nicht mehr mit Strom versorgt.

Dieser Zustand kann solange aufrechterhalten werden, wie ein Steuersignal an den Eingangsklemmen des elektronischen Relais vorhanden ist. Wenn dieses Signal verscimindet, hört der Oszillator auf zu schwingen,. und es werden in der Sekundärwicklung 36 keine Spannungen mehr induziert. Die Basisvorspannung des Transistors 59 verschwindet demzufolge, und der Transietor sperrt. Wenn die Halbwelle an den Klemmen 6o und 61 eine ausreichende Amplitude erreicht, wird der gesteuerte Gleichrichter 63 von neuem vorgespannt _f wie dies zu Beginn der Erläuterung der Fig. 4 angegeben ist _t xsaä schaltet ein, wobei ebenso ein Signal an das Gitter des Triacs 66 angelegt wird» Dieser wird somit leitend und speist die Last 62. Der Kondensator 75 und der Widerstand 76 haben denselben Zweck des Schutzes gegen plötzliche Spannungsänderungen wie der Kondensator 51 und der Widerstand 50 nach Fig_o 2

BsIm eben beschriebenen elektronischen Relais tritt der Moment

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des Versorgungsbeginns der Last niemals zu dem Zeitpunkt auf, in dem der sinusförmige Versorgungsstrom durch Null geht, da ja eine gewisse Spannungsdifferenz an den Klemmen des gesteuerten Gleichrichters zur Einschaltung des Triacs überschritten werden muß. Andererseits'ist es bei einigen Anwendungsfällen, wie beispielsweise bei der Lampenbeleuchtung von Interesse, die Einschaltung der Last oder deren Abschaltung im Zeitpunkt des Nulldurchgangs des sinusförmigen Versorgungsstroms vorzunehmen, Man verhindert damit hochfre- ^ quente Störungen, die beim Schalten während eines anderen Zeitpunktes der sinusförmigen Schwingung auftreten könnten.

In Fig. 5 ist die Schaltung eines synchronisierten elektronischen Relais gezeigt, das eine solche Funktion zu erfüllen gestattet, wobei selbstverständlich die nach der Figur links von der Sekundärwicklung 36 liegenden Schaltungsteile identisch mit denen der Fig. 2 sind.

Solange an den Eingangsklemmen des Relais kein Signal anliegt, wird in der Sekundärwicklung 36,wie gezeigt,auch keine Spannung induziert. Während dieser Zeit lädt sich der ψ Kondensator 77 durch den an die Klemmen 79 und 8O*über die Diode 81, die Widerstände 82 und 83, die Diode 84 und den übergang des bidirektionalen Triacs 85/angelegten Versorgungsstrom der Last 78jauf, wenn die positive Halbwelle an der Ausgangsklemme 80 liegt. Die Höhe der Klemmenspannung des Kondensators 77 wird von der Spannung der Stromversorgung der Last, von dem durch die Widerstände 82 und 88 gebildeten Spannungsteiler und von einer den Klemmen des Kondensators 77 zugeordneten und aus der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 89 in Serie mit den Widerständen 90 und 91 bestehenden Ableitschaltung bestimmt.

Gleichzeitig wird die Basis des Transistors 89 jedesmal, wenn

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die an der Klemme 79 oder 80 anliegende positive Halbwelle eine in der Nähe von Null ausreichende Amplitude aufweist, positiv vorgespannt,, und ein Basis-Emitter-Strom fließt von der Klemme 79 (oder 80 in Abhängigkeit von der Art der Halbwelle) über die Diode 81 (oder 86),' den Widerstand 82, die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 89, die Widerstände 90, 91 und 83 sowie die Diode 84 (oder 87). Der Transistor 89 wird daher fast während der gesamten Dauer der Halbwelle entsperrt. Wenn andererseits die Halbwellen einen Wert sehr nahe bei Null während des Übergangs von der einen Halbwelle in die andere erreichen, geht die Potentialdifferenz zwischen den Klemmen 79 und 80 schließlich .gegen null, so daß die Spannung zwischen Emitter und Basis des Transistors 89 nicht mehr ausreicht und der Transistor während dieses kurzen Augenblicks gesperrt wird.

Setzt man jetzt das Auftreten eines Eingangssignals des elektronischen Relais voraus, so bewirkt dieses Signal wie gezeigt Stromänderungen an den Klemmen der Sekundärwicklung 36. Wenn in diesem Augenblick die Halbwelle des versorgenden Stromes

von,

einen ausreichenden Amplitudenwert, nämlich einen/Tiull verschiedenen Wert annimmt, wird der Transistor 89 wie gezeigt entsperrt, so daß er die Sekundärwicklung 36 kurzschließt und die Stromänderungen sich über den Widerstand 92 und die Emitter-Kollektor-Strecke schließen. Dies bleibt solange, wie die Amplitude der sinusförmigen Stromversorgung den Transistor 89 entsperrt hält.

Wenn die sinusförmige Spannung einen Wert in der Nähe von Null erreicht, beginnt, wie gezeigt, der Transistor 89 zu sperren. Gleichzeitig entlädt sich der Kondensator 77 über den Widerstand 88, bis seine Klemmen ein Potential schwach unterhalb der Basis-Emitter-Schwellspannung des Transistors 89 erreichen. Wenn die Spannung an den Klemmen des Kondensators 77 diesen

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Wert erreicht, wird der Transistor 89 gesperrt. Man erkennt, daß der Kondensator 77 die Rolle eines Verzögerungselements spielt, das den Sperraugenblick des Transistors 89 genauer festzulegen gestattet. In diesem Moment, während das Eingangssignal des Relais immer noch anliegt, treten in der Sekundärwicklung 36 dauernd induzierte Spannungen auf. Wenn der durch den Transistor 89 bewirkte Kurzschluß nicht mehr existiert, ist die Basis des Transistors 89 bei jeder Stromvariation, die das obere Ende der Sekundärwicklung 36 über den Widerstand positiv macht, positiv vorgespannt.

Wenn der an die Klemmen 79 und 8o angelegte sinusförmige Strom den Wert null verläßt, tritt zwischen den Punkten 94 und 95 der Diodenbrückenschaltung eine Potentialdifferenz auf. Dies zeigt an, daß im Kondensator 77 ein Ladestrom zu fließen beginnt, da ja der Kondensator entladen war, wobei dieser Strom zwischen den Punkten 94 und 95 über die Widerstände 82 und 83 fließt. Während eines kurzen Augenblicks bildet der Kondensator 77 einen Abflußweg für den den Widerstand 82 durchfließenden Strom und verzögert somit den Zeitpunkt, in dem der Transistor 89 gesperrt wird. Die Potentialdifferenz zwischen den Punkten 94 und 95 zeigt auch an, daß eine Anoden- ^ Kathoden-Spannung an den Klemmen" des gesteuerten Gleichrichters 96 vorhanden ist. Vorausgesetzt, daß die Basis des Transistors 93 durch die in der Sekundärwicklung 36 induzierten Signale vorgespannt wird, ist dieser Transistor entsperrt. Der zwischen den Punkten 94 und 95 über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors und über die Widerstände 90, 91 und 83 fließende Strom spannt das Gitter 97 des gesteuerten Gleichrichters 96 derart vor, daß dieser in den leitenden Zustand gelangt. Die Verbindung zwischen den Emittern der Transistoren 89 und 93 verstärkt die Sperrung des Transistors 89, wenn der Transistor 93 leitet, indem das Emitterpotential des Transistors 89 angehoben wird. In diesem Augenblick tritt ein Strom zwischen

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den Klemmen 79 und 80 über die Diodenbrückenschaitung? den gesteuerten Gleichrichter 96, den Widerstand 83 und das Gitter 98 des Triacs 85 auf. Der Triac beginnt zu leiten und läßt einen Versorgungsstrom durch die Last 78 fließen.

Dadurch lädt sich der Kondensator 77 sehr rasch auf? nand, da die Amolitude der Halbwelle des VersorgungsStroms größer wird_r die Basis des Transistors 89 positiv wird durch den zwischen den Punkten 94 und 95 über die Widerstände 82, 88 und 83 derart vorgespannt, daß bei ausreichender Basis-Emitter-Spannung der Transistor 89 entsperrt wird. Er schließt die Sekundärwicklung 36 über seine Emitter-Kollektor-Strecke kurz, was die Unterdrückung der Basisspannung des Transistors 93 zur Folge hat, der gesperrt wird«, Das Gitter 97 des gesteuerten Gleichrichters 96 wird nicht mehr vorgespannt, sondern der gesteuerte Gleichrichter hört auf, leitend zu sein, wenn der Triac 85 leitend aufgrund des Kurzschlusses wird, den er dann bildet.

In diesem Augenblick ist ein Zustand vorhanden, in dem der sinusförmige Versorgungsstrom einen Wert nahe bei Null hat, so daß der beschriebene Vorgang sich unter der Bedingung wiederholt, daß das Eingangssignal dauernd anliegt, d.h. daß in der Sekundärwicklung 36 immer induzierte Spannungen auftreten. Die Last 78 wird so durch die an die Klemmen 79 und 80 angelegte Stromversorgung über den Triac 85 versorgt. Der Kondensator und der Widerstand 100 sind zum Schutz des Triacs gegen sehr schnelle Spannungsänderungen vorgesehen, die ihn zerstören könnten. Ebenso schützt der Varistor 101 die anderen Schaltungselemente dadurch gegen Überspannungen, die an deren Klemmen

mit einem gewissen Wert auftreten können, daß der Varistor leitend wird und den zum Leitend^steuern des Triacs 85 nötigen Strom liefert. Dieses momentane Entsperren unterdrückt die

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überspannung an den Klemmen 79 und 80.

Zum Zeitpunkt, da das Eingangssignal verschwindet, hören auch die in der Sekundärwicklung 36 induzierten Spannungen auf. Wenn am Ende der gerade ablaufenden Halbwelle der Kondensator 77 sich entlädt _f sperrt im selben Moment der gesteuerte Gleichrichter 96, und mit dem Triac 35 -/erhält es sich ebenso, der kein Signal an seinem Gitter 98 mehr erhält. Wenn der Wert null der sinusförmigen Spannungen überschritten ist und wenn die Amplitude der entstehenden Halbwelle sich ein wenig vergrößert _f lädt sich der Kondensator 77 wie erwähnt wieder auf und der Transistor 93 bleibt gesperrt _f weil kein Signal an den Klemmen der Sekundärwicklung 36 auftritt. Obwohl die Änoden-Kathcden-Spannung an den Klemmen des gesteuerten Gleichrichters 96 sich vergrößert, wird er nicht leitend, da ja kein Signal am Gitter 97 wegen des gesperrten Transistors 93 auftritt. Der Triac bleibt demzufolge ebenfalls gesperrt und die Last 78 erhält keine Stromversorgung mehr.

Zusammenfassend läßt sich zur Wirkungsweise dieses Relais sagen, daß es wie die anderen Ausführungsbeispiele die Eigenschaft besitzt, den Versorgungsstromkreis der Last im Augenblick des Nulldurchgangs des Versorgungsstroms zu unterbrechen, darüberhinaus aber in der. Lage ist,den Strom im Leistungsstromkreis im Moment des Nulldurchgangs der Spannung an den Klemmen des Verbraucherstromkreises aufrechtzuerhalten unter der Bedingung, daß ein Steuersignal am Eingang anliegt.

9 Patentansprüche

3 Blatt Zeichnungen
mit 5 Figuren

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Claims (1)

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   PATENTANSPRÜCHE

   Elektronisches Relais zum Schalten der Stromversorgung einer Last in Abhängigkeit von einem Eingangsgleichoder -wechselstromsignal, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal einem Regelschaltungsteil (4) zugeführt ist, der mit einem von ihm erzeugten konstanten Strom nach Glättung der Stromwelligkeit einen Mittelfrequenzgenerator

   (5) speist, wobei die Schaltelemente dieser Schaltungsteile den von dem Stromversorgungsteil durch ein die galvanische Trennung gewährleistendes Bauelement (6) getrennten Steuerteil des elektronischen Relais bilden, daß das vom Mittelfrequenzgenerator erzeugte Signal nach der galvanischen Trennung einem Verstärker (7) zugeführt ist und daß das Ausgangssignal des Verstärkers den Schaltzustand eines bidirektionalen Bauelements bestimmt, der seinerseits die Stromversorgung der an die Ausgangsklemmen (9, 10) des elektronischen Relais angeschlossenen Last bestimmt.

   2. Elektronisches Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Eingangsklemmen (11, 12) an die eine Dia-

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   goanle einer ersten Gleichrichterbrücke angeschlossen sind, deren in der anderen Diagonalen (11, 18) erzeugte Spannung die Elektroden eines Transistors (19) derart vorspannt ^ daß er bei vorhandenem Eingangssignal entsperrt wird, daß Mittel vorgesehen sind, die die Stromstärke des vom Transistor (19) abgegebenen Stronet' unabhängig von der Amplitude des Eingangssignale konstant halten _B daß der Strom ©iner Oszillatorschaltung nach Glättung der Stroswslligksit zugeführt ist_r deren Induktivität von der Primärwleklrag ^r

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   eines die galvanische Trennung gewährleistenden Transformators (35) gebildet ist, daß die Sekundärwicklung (36) des Transformators mit dem Gitter (38) und der Kathode eines gesteuerten Gleichrichters (40) verbunden ist, daß die Kathode und die Anode des gesteuerten ,Gleichrichters mit der einen Diagonale einer zweiten Gleichrichterbrücke verbunden sind, deren andere Diagonale mit der einen Ausgangsklemme des elektronischen Relais und mit dem Gitter (46) eines bidirektionalen Leistungsbauelemehts (45) verbunden ist und daß die Hauptelektroden des bidirektionalen Leistungsbauelements mit den Ausgangsklemmen des elektronischen Relais verbunden sind, wobei die Schaltelemente derart angeordnet sind, daß der gesteuerte Gleichrichter (40) eingeschaltet wird, wenn eine Spannung in der Sekundärwicklung (36) des Transformators (35) induziert wird, daß der darauf den" gesteuerten Gleichrichter (40) durchfließende Strom das bidirektionale Leistungsbauelement (45) einschaltet und somit die an die Ausgangsklemmen des elektronischen Relais angeschlossene Last (37) mit Strom versorgt wird.

   Elektronisches Relais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den vom Transistor (19) gelieferten Strom konstant haltenden Mittel von einem eine Schwelle aufweisenden Bauelement und einem Bauelement mit negativem Temperaturkoeffizienten gebildet werden, wobei diese Bauelemente im Basiskreis des Transistors (19) angeordnet sind und daß die das Bauelement mit Schwelle bildende Z-Diode (25) zwischen der Basis des Transistors und dem einen Diagonalpunkt (18) der anderen Diagonale der ersten Gleichrichterbrücke derart angeschlossen ist, daß die Z-Diode oberhalb einer bestimmten Basis-Emitter-Spannung leitend wird.

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   S.Marchiat et al 1-1-1

   4. Elektronisches Relais nach Anspruch 2_B dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorschaltung aus einem Transistor (.33) besteht, dessen. Kollektor mit der Primärwicklung (34) des Transformators (35) und mit dem einen Belag eines ersten Kondensators (32) verbunden ist, dessen anderer Belag am Emitter des Transistors (33) angeschlossen ist und daß der sine Belag eines sweiten Kondensators (29) mit der Basis des Transistors und mit dem •kollektorfernen Ende der Primärwicklung (34) und der andere Belag mit dem Emitter des Transistors verbunden ist.

   5. Elektronisches Relais mit einem die Last mit Energie versorgendem Teil nach Anspruch 1 oder 2, dessen Eingangssignal ein Gleichstromsignal ist? dadurch gekennzeichnet _s daß die Eingangskleramen direkt mit der Osaillatorschaltung und mit dem zweiten Kondensator über ein Bauelement (54) mit Richtwirkung verbunden sind* das dauernd einen einzigen Richtungssinn des Ladestroms des Kondensators gewährleistet,

   6. Elektronisches Relais nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei ·■ nichtvorhandenem Eingangssignal die angeschlossene Last mit Strom versorgt wird und bei anliegendem Eingangssignal die Stromversorgung der Last abgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Sekundärwicklung (36) des Transformators mit dem Emitter eines weiteren Transistors (59) verbunden ist, daß das andere Ende der Sekundärwicklung an der Basis des weiteren Transistors (59) über ein Bauelement (72) mit Richtwirkung angeschlossen ist und daß der Kollektor des Transistors mit dem Gitter (70) des gesteuerten Gleichrichters (63) über ein Bauelement

   (74) mit Schwelle verbunden ist.

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   Elektronisches Relais nach einem der Ansprüche 1,2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschalten der Stromversorgung mittels zwischen den Transformator und den gesteuerten Gleichrichter eingefügter Schaltelemente in dem Zeitpunkt gewährleistet ist, in dem der sinusförmige Strom der Stromversorgung durch Null geht, wobei die Schaltelemente derart gewählt und angeordnet sind, daß die Basis eines dritten Transistors (89) durch eine Halbwelle des Stromes der Stromversorgung derart gesteuert wird, daß er leitet, wenn die Halbwelle einen nahe bei Null liegenden Wert verläßt, wobei die in der Sekundärwicklung (36) des Transformators induzierten Signale ohne Wirkung bleiben und sich über die Kollektor-Emitter-Strecke des dritten Transistors schließen, daß von der Annäherung des sinusförmigen Stroms der Stromversorgung an den Nulldurchgang die Entladung eines im Basiskreis des dritten Transistors (89) angeordneten Kondensators (77) und dessen Sperrung derart bestimmt wird, daß die Sekundärwicklung (36) nicht mehr durch die Kollektor-Emitter-Strecke des dritten Transistors kurzgeschlossen ist, daß die in der Sekundärwicklung (36) erzeugten Signale einen vierten Transistor (93) entsperren, dessen Ausgangsstrom in das Gitter (97) des gesteuerten Gleichrichters (96) fließt, wodurch dieser entsperrt wird, wenn die Amplitude der Halbwelle den in der Nachbarschaft des Nulldurchgangs liegenden Wertebereich ver-_%läßt, also wenn die Anoden-Kathodenspannung des gesteuerten Gleichrichters einen ausreichenden Wert annimmt, daß die Sperrung des dritten Transistors (89) von der Aufladezeit des in seinem Basiskreis angeordneten Kondensators (77) derart schwach verzögert ist, daß der vierte Transistor (93) während der Aufladezeit leitend, der dritte Transistor (89) jedoch am Ende der Aufladezeit entsperrt wird und somit über seine Emitter-Kollektor-Strecke von neuem die

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   Sekundärwicklung (36) kurzschließt, worauf die Basisvorspannung des vierten Transistors (93) verschwindet, so daß dieser sperrt und den in das Gitter (97) des gesteuerten Gleichrichters (96) fließenden Strom unterbricht.

   8. Elektronisches Relais nach einem der Ansprüche 1, 2, 6 ■ oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Steuerelektrode und eine der Hauptelektroden des bidirektionalen Leistungsbauelements (45, 66, 85) ein spannungsabhängiger Widerstand (49, 101) geschaltet ist.

   9. Elektronisches Relais nach einem der Ansprüche 1, 2, 6 oder 7_r dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen des Relais von der Serienschaltung eines Widerstandes (50, 76, 100) und eines Kondensators (51, 75, 99) überbrückt sind.

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