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Elektrische Einrichtung zur Schaltung von Geräten zwischen Grenzwerten, die durch von physikalischen, chemischen od. dgl. Grössen bedingte Widerstandsänderungen eines Steuerelementes gesteuert werden
Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Einrichtung zur Schaltung von Geräten zwischen Grenzwerten, die von physikalischen, chemischen od. dgl. Grössen bedingten Widerstandsänderungen eines Steuerelementes über Entladungsgefässe mit oder ohne Steuerelektroden bzw.-gitter gesteuert werden.
Es sind elektrische Einrichtungen bereits bekannt, die die Änderung physikalischer Grössen wie Be- leuchtungsstärke, Temperatur, Druck od. dgl., welche durch geeignete Steuerelemente in elektrische Ströme, Spannungen oder Widerstandsänderungen umgesetzt werden, dazu verwenden, um bei vorgegebenen Werten Schaltungen elektrischer oder mechanischer Grössen durchzuführen.
Als Beispiel diene die heute schon vielfach verwendete photoelektrische Steuerung, von welcher grundsätzlich zwei verschiedene Arten bekannt sind :
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2. Die Photowiderstände und Photozellen, das sind lichtabhängige Widerstände, bei denen hohe Beleuchtungsstärke niederem inneren Widerstand und schwache Beleuchtung einem hohen Innenwiderstand entspricht. Dabei wird die Steuerspannung an einem mit dem Photowiderstand in Serie liegenden Arbeitwiderstand abgegriffen und dem Leistungsschalter direkt, oder unter Zwischenschaltung von Relaisröhren oder Tyratrons zugeführt.
Bei Photoelementen nach Punkt 1 bewirkt Kurzschluss ihrer beiden Zuleitungen ein Zusammenbrechen der Spannung, entspricht also der Beleuchtungsstärke 0, die Anordnung kann daher bei Kurzschluss nicht ansprechen.
Bei Photowiderständen nach Punkt 2 entspricht Kurzschluss jedoch dem Innenwiderstand 0, also höchster Beleuchtungsstärke und somit der vollen Betriebsspannung am Arbeitswidersiand. die Anordnung spricht also unverzüglich an.
Aus diesem Grunde konnten sich dort, wo auf grösste Betriebssicherheit Wert gelegt wird, Photowiderstände gegenüber Photozellen nicht durchsetzen, da die erstgenannten nicht "kurzschlusssicher" 1m obigen Sinne sind.
Die Erfindung bezweckt, Steuerungen mit Photowiderständen oder gleichwertigen Elementen durch geeignete Massnahmen kurzschlusssicher zu machen, d. h. beispielsweise dem Verhalten der Photoelemente bei Kurzschluss anzupassen. Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemässe Anordnung eine Steuerung zwischen festen und einstellbaren, oder festen, oder einstellbaren Grenzwerten.
Gemäss der Erfindung ist das Steuerelement mit einem festgelegten oder einstellbaren Reihenwiderstand in Serie geschaltet, an dem zum Einschalten unerregter bzw. Ausschalten erregter Schaltelemente inner-oder ausserhalb von Grenzwerten die Leitungen für die Steuerung der Entladungsgefässe angeschlossen sind.
Die zwischen Steuerelement und Reihenwiderstand abzweigende Leitung dient als Starterleitung der Relaisröhre und vom vorzugsweise als Potentiometer ausgebildeten Reihenwiderstand wird die Steuerspannung für eine Auslöseröhre abgenommen, in deren Anodenstromkreis ein Arbeitswiderstand zur Erzeugung eines Abfalles der Spannung unter die Zündspannung der Relaisröhre geschaltet ist. Der Arbeitswiderstand kann in die Starterleitung der Relaisröhre vor dem Anschlusspunkt der Ancde der Auslöseröhre geschaltet sein ; er kann aber auch im Arbeitsstromkreis der parallel zu Relaisröhre und Schaltelement geschalteten
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Auslöseröhre vorgeschaltet sein.
Wird auf grösste Genauigkeit der Schaltpunkte Wert gelegt, so muss die Steuerspannung zunächst gleichgerichtet und stabilisiert werden. Ist zusätzlich gefordert, dass der Bereich der Empfindlichkeit für die Schaltvorgänge sehr gross zu halten ist, arbeitet man mit einer festen Vorspannung, welche knapp unter der Zündspannung liegt. Wird lediglich auf dem Einsatzpunkt der Zündung Wert gelegt, wobei der obere Grenzwert unbestimmt sein kann, so kann statt derAuslöseröhre ein steuerelektroden- oder gitterloses Entladungsgefäss z. B. eine Kippglimmröhre -mit hoher Zünd-und niederer Brennspannung verwendet werden, deren Verhältnis zueinander mindestens 1,5 zu 1 betragen soll um die Kurzschlusssicherung aufrecht zu erhalten.
In diesem Falle ist es zweckmässig, einen Vorwiderstand direkt verbunden mit dem Photowiderstand vorzusehen. Der Widerstand gibt bei hoher Beleuchtungsstärke, also niederem Innenwiderstand des Photowiderstandes und Kurzschluss der Steuerleitung den gewünschten starken Spannungsanstieg am Reihenwiderstand, welcher zu den erwünschten Zünden der Steuerröhre führ..
Zur Dämpfung des Klappers und Brummens der Einrichtung ist zur Spule (Relaisspule, Motorspule od. dgl.) des Schaltelementes zweckmässig ein Widerstand parallelgeschaltet. An Stelle des Arbeitswide- standes kann ein diesen ersetzendes Schalt- und/oder Steuergerät für die Anzeige des kritischen Betriebszustandes geschaltet sein.
Die Erfindung verwendet beispielsweise als lichtempfindliches Steuerelement Photowiderstände, deren Widerstandwert grössenordnungsmässig 10 Ohm bei vollständiger Dunkelheit beträgt und der auf 5. 10 Ohm bei 500 Lux abfällt.
Die an einem in Serie mit dem Steuerelement geschalteten Reihsnwiderst. and abgegriffene Spannung wird einer Relaisröhre gemäss der Erfindung als Steuerspannung aufgedrückt. Die abgegriffene Spannung steigt vorn Dunkelwert 0 an, sobald der Photowiderstand belichtet wird, und bei Erreichen der Zündspan- nung der Relaisröhre tritt die Zündung ein und das Relais zieht an. In der Starterleitung zur Relaisröhre liegt ein zusätzlicher Arbeitswiderstand, der für den geringen Steuerstrom keinen ins Gewicht fallenden Widerstand darstellt. Parallel zum Reihenwiderstand liegt am kalten Ende des Arbeitswiderstandes eine Auslöseröhre.
Steigt nun die am Reihenwiderstand abgegriffene Spannung auf den Wert der Zündspannung, dann zündet die Auslöseröhre, der Strom durch den Arbeitswiderstand wächst und am Abgriffspunkt zwischen Steuerelement und Reihenwiderstand bleibt die Brennspanl1unQ stehen, welche beträchtlich unter der Zündspann'mg der Relaisrohre liegt.. War die Relaisröhre zu diesem Zeitpunkt gezünde :, so setzt das Brennen derselben bei Zündung der Auslö. eröhre aus.
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung mit einem lichtempfindlichen Steuerelement veranschaulicht.
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung ist an sich bekannt. Bei dieser Anordnung erfolgt der Abgriff der Steuerspannung am Punkt 3 des aus Photozelle Ph und Reihenwiderstand R gebildeten Spannungsteilers.
Die Fig. 2 zeigt eine charakteristische Widerstandskurve in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke und schliesslich Fig. 3 die Änderungen der Spannungen UPh und UR im oben erwähnten Spannungsteiler bei zunehmender Beleuchtungsstärke, die durch die Linie III gekennzeichnet sind. Am Schnittpunkt der Linie III mit derZündspannung Uz ist der Einsatzpunkt für das Zünden der Relaisröhre Rö erreicht und diese zündet.
Dieser Zustand bleibt bei diesem Ausführungsbeispiel auch bei weiterer Steigerung der Beleuchtungsstärke erhalten, also auch dann, wenn der Photowiderstand Ph kurzgeschlossen wird. Diese bekannte Anordnung ist also nicht kurzschlussfest.
Die Fig. 4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und die Fig. 5 das dazugehörige Spannungsdiagramm. Das Steuerelement, z. B. eine Photozelle Ph ist wiede. mit dem Reihenwiderstand R in Serie im Arbeitsstromkreis der Einrichtung geschaltet. In die vom Punkt 3 ausgehende Stanerleitung S zur Relaisröhre Rö ist ein Arbeitswiderztand RA geschaltet, der kaum einen Spannungsabfall durch den geringen Steuerstrom der Relaisröhre Rö bewirkt. Zum Reihenwiderstand R ist parallel nach dem Arbeitswiderstand RA eine Auslöseröhre Rödeschaltet, die über den als Potentiometer ausgebildeten Reihenwiderstand gesteuert bzw. gestartet wird. Die Relaisröhre Rö erregt mit ihrem Anodenstrom das Schaltelement, z.
B. ein Relais A.
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welchedieser obere Grenzpunkt Go gewählt, dann entspricht die Spannung am heissen Abzweigpunkt 3 der oberen Ansprechgrenze und der Abgriff am Punkte P des Potentiometers muss auf die Zündspannung für die Aus- löseröh Röl entsprechend eingestellt werden. Bei jedem Erreichen dieses Spannungswertes im unteren Grenzpunkt Gu zündet nunmehr die Auslöseröhre R .
Die ganze Differenzspannung wird am Arbeitswiderstand RA vernichtet und am Starter der Relaisröhre Rö steht die Anodenbrennspannung Ubr der Auslöse-
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Schnittpunkt K der Spannungsteilungslinie III mit der Betriebsspannung Un also bei Kurzschluss, der Arbeitswiderstand RA wirksam ist, ist der durch diesen bedingte Spannungsabfall TIRA eine Sicherung der Einrichtung bei Kurzschluss.
Das Brummen des Relais A wird durch das Parallelschalten eines Widerstandes Rx zur Spule des Relais A stark gedämpft. Bisher wurden in der Literatur nur Kondensatoren (Rückzi1n. dungsgefahr) und Trokkengleichrichter empfohlen. Die Lösung zum Beseitigen des Brummen mittels Widerstandes ergibt aber das beste Resultat mit dem geringsten Kostenaufwand.
Bei empfindlichen Schaltungen, oder bei starken Spannungsschwankungen ist die Steuerspannung teilweise oder ganz zu stabilisieren ; man arbeitet daher in diesem Falle auf der Steuerseite mit einer durch den Gleichrichter D erzeugten Gleichspannung. Die Fig. 6 zeigt diese Anordnung, bei welcher eine feste Vorspannung Ust, die knapp unterhalb der Zündspannung Uz der Relaisröhre Rö liegt, zur Anwendung
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widerstand RA bei gleicher Wirkung im Arbeitsstromkreis liegt. Dem Stabilisator St ist ein Vorschaltwiderstand Rv vorgeschaltet.
Aus dem Spannungsdiagramm der Fig. 7 ist ersichtlich, dass durch diese Anordnung ein wesentlich grösserer Helligkeitsbereich ausgesteuert werden kann und zwar liegt diese Vergrösserung im Bereichs der niederen Beleuchtungsstärken.
Bei genügender Konstanz der Speisespannung UB kann der Stabilisator St durch einen Widerstand Rw (Fig. 8) ersetzt werden, bei starken Schwankungen derselben wird der Vorwiderstand Rv in an sich bekanter Weise durch einen zweiten Stabilisator ersetzt. Welche Variante immer zum Einsatz gelangt, erfolgt die Löschung der Relaisröhre Rö durch Zünden der Auslöseröhre Röl, wobei der Zündpunkt wie bereits beschrieben, durch Abgriff der Zündspannung für die Auslöseröhre Röl am Potentiometer R eingestellt wird.
Der Reihenwiderstand R kann demnach als Potentiometer oder auch als Spannungsteiler ausgebildet sein.
Ist jedoch eine Abschaltung im oberen Bereich nicht kritisch, sondern nur im Faste eines Kurzschlussses erforderlich, kann aus Gründen der Billigkeit die Anordnung nach den Fig. 8 und 9 gewählt werden. Bei aieser ist an Stelle der Auslöseröhre eine Glimmröhre Gl eingesetzt, und an den Photowiderstand Ph ein Serienwiderstand Rs unmittelbar angeschlossen, welcher bei Kurzschluss der Steuerleitung, also zwischen den Punkten 1 und 2, zusammen mit dem Photowiderstand Ph kurzgeschlossen wird. Durch diese Anordnung ergibt sich bei Kurzschluss der Steuerleitung ein starker, beabsichtigter Spannungsanstieg über den Wert der Zündspannung Uzg der Glimmröhre Gl, diese Röhre zündet, ihre Brennspannung Ubrg liegt jedoch wieder unter der Zündspannung Uz der Relaisröhre Rö, und diese wird daher gelöscht.
Vorzugsweise findet eine Glimmröhre Gl. Verwendung, welche eine hohe Zünd-, jedoch niedere Brennspannung als Charakteristikum aufweist.
Die Fig. 9 zeigt das Spannungsdiagramm der Einrichtung nach Fig. 8, aus welchem insbesondere die Wirkungsweise des Serienwiderstandes Rs hervorgeht, welcher einen unkritischen Aufbau des Gerätes ohne langwieriges Abgleichen gestattet. Die Fig. 10 schliesslich zeigt ein Zeitspannungsdiagramm für Glimmröhren, dem die verwendete Glimmröhre Gl entsprechen muss.
Die Fig. 11 zeigt eine zu Fig. 4 abgeänderte Ausführung der erfindungsgemässen Einrichtung. Der Arbeitswiderstand RAliegt im Arbeitsstromkreis und ist der Auslöseröhre Röl vorgeschaltet, die parallel zur Relaisröhre Rö und Schaltelement geschaltet ist und über den veränderbaren Reihenwiderstand R gesteu ert wird.
Der Gegenstand dieser Erfindung beschränkt sich nicht auf photoelektrische Steuerungen. So kann an die Stelle des Photowiderstandes jedes beliebige Steuerelement treten, welches auf die Änderung einer einwirkenden physikalischen, chemischen oder ähnlichen Grösse durch die Änderung eines Widerstandes bzw. Leitwertes reagiert. Ebensowenig ist die Erfindung auf die Steuerung eines Relais. als Schaltelement begrenzt, da an die Stelle des Relais jedes elektrisch beeinflusste Regel-, Steuer-und Anzeigegerät treten kann, wie z. B. Stellmotore und ähnliche, sowie elektrisch gesteuerte pneumatische oder hydraulische Ventile u. dgl..
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