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Elektrischer Schalter
Die Erfindung bezieht sich auf elektrisch gesteuerte Schalter und betrifft im besonderen Schalter mit einem remanent magnetischen Steuerglied.
Die zahlreichen, zur Herstellung der verschiedenen Verbindungen zwischen Telephonteilnehmemverwendeten Relais bilden einenwesentlichen undwichtigen Teil einer Telephonanlage. Die Durchschaltnetz- werke von Telephonanlagen waren bisher hauptsächlich mit mechanischen, durch elektromagnetisch erzeugte Felder gesteuerten Schaltkontakten ausgestattet. Wegen der zur Betätigung solcher Schalter erforderlichen mechanischen Kontrollbewegung ist die Ansprechzeit von elektromagnetischen Relais auf die Dauer der Betätigungssignale beschränkt.
Zur Verbesserung des Betriebes ist es aber erwünscht, dass die Durchschaltnetzwerke von Telephonanlagen auf kürzere Schaltimpulse von gegebenenfalls höherer Frequenz ansprechen. Elektronisch gesteuerte Einrichtungen, wie Elektronenröhren und Halbleiterelemente können nun zwar in einem kleinen Bruchteil der Zeit, die für die Betätigung auch der schnellsten mechanischen Schalter erforderlich ist, ansprechen, doch konnten Einrichtungen dieser Art wegen der zusätzlich erforderlichen verwickelten Stromkreise, der Schwierigkeiten bei der Anpassung an die Impedanz von elektro-mechanischen Schaltern und aus ändern Gründen bisher nicht vollkommen zufriedenstellend als Ersatz für Schaltrelais verwendet werden.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, einen verbesserten magnetisch gesteuerten mechanischen Schalter zu schaffen, der auf Signale anspricht, deren Dauer kürzer als die mechanische Ansprechzeit des Schal tersist. Durch die Erfindung sollen also elektro-mechanische Schalter in Verbindung mit den normalerwei- se bei elektronischen Geräten angewendeten Steuerimpulsen sehr kurzer Dauer verwendbar, gemacht werden.
Ein gemäss der Erfindung ausgebildeter elektrischer Schalter mit zumindest einem Paar von relativ zueinander beweglichen Kontakten ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kontaktträger aus einem Material besteht, das mehrere stabile, remanente Magnetisierungszustände annehmen kann, und dass zwecks Kontaktbet1itigung eine Einrichtung zur wahlweisen Hervorrufung eines bestimmten dieser Magnetisierungszustände vorgesehen ist.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird z. B. bei einem Schalter mit zungenförmigen Kontaktträgem, der von O. M. Hovgaard et al in dem Aufsatz "Development of ReedSwitches and Relays"im"Bell System Technical Journal", Bd. 34, März 1955, S. 309-322, beschrieben ist, an Stelle des dort beschriebenen magnetischen Materials ein remanent magnetisches Material, wie wärmebehandelter Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt, verwendet.
Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters in Form eines Zungenschalters wird für eine Zunge ein remanent magnetisches Material mit mehreren stabilen remanenten Magnetsierungszuständen und für die zweite Zunge ein permanent magnetisiertes Material verwendet. Dieses per- manent magnetisierte Material kann gleich dem Material der erstgenannten Zunge sein, nur dass in ihm während der Herstellung eine remanente Magnetisierung bewirkt und nachher nicht mehr verändert wird.
Das Material für die zweite Zunge kann aber auch ein hochpermeables magnetisches Material sein, das mit einem Permanentmagneten verbunden ist, der einen vorspannenden magnetischen Fluss erzeugt. Am Ende einer die Zungenkontakte enthaltenden Glashülle ist eine Steuerspule aufgewickelt, welche die remanent magnetische Zunge umschliesst, um den gewünschten Magnetisierungszustand des remanent ma-
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gnetischen Gliedes hervorzurufen. Die permanent magnetisierte Zunge erzeugt ein magnetisches Vorspannungsfeld.
Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters wird daher in der remanent ma- gnetischen Zunge eine positive oder negative Remanenz hervorgerufen, die im Zusammenwirken mit dem Vorspannungsfeld der permanent magnetischen Zunge anziehende oder abstossende Kräfte zwischen den freien Enden der Zungen hervorruft.
Bei einer ändern Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters wird für beide kontakttragenden Zungen remanent magnetisches Material verwendet, wobei zwei Wicklungen vorgesehen sind, von denen jede einer der beiden Zungen zugeordnet ist. Hiebei können die Kontakte des Schalters geöffnet oder geschlossen werden, indem den beiden Steuerwicklungen Impulse zugeführt werden, durch die in den zugeordneten Zungen remanente Magnetisierungen hervorgerufen werden, welche an den freien Enden der beiden Zungen gleichnamige bzw. ungleichnamige magnetische Pole erzeugen.
Ein Merkmal der Erfindung liegt darin, dass der Schalter durch remanent magnetische Glieder gesteuert wird, die vorzugsweise aus einem Stück mit den Schalterkontakten bestehen. Nach einem weite ren Merkmal der Erfindung ist der Schalter durch ein remanent magnetisches Feld betätigbar, welches im Innern einer Hülse des Schalters erzeugt wird, wobei insbesondere in einer Zunge ein bestimmtes remanent magnetisches Feld hervorgerufen wird, um das Schliessen der Schaltkontakte zu bewirken. Anderseits kann ein Zungenschalter nach der Erfindung auch so ausgebildet sein, dass die Kontakte durch ein wahlweise hervorgerufenes remanent magnetisches Feld geöffnet werden. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Kontakte durch ein remanent magnetisches Feld in der jeweils gewählten geöffneten oder geschlossenen Stellung festgehalten.
Schliesslich können nach einem Merkmal der Erfindung Zungen aus remanent magnetischem Material und Einrichtungen verwendet werden, die es ermöglichen, in beiden Zungen gleichzeitig vorbestimmte, remanente Magnetisierungszustände hervorzurufen.
Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachstehend unter Bezugnahme auf einige in denZeichnungen veranschaulichte Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemässen Schalters und Fig. 3 zeigt den in Fig. 2 dargestellten Schalter mit einer besonderen Ausbildung der Spulen für die Steuerung des Schalters.
Der in Fig. l dargestellte Schalter hat eine Glashülle 1 mit Anschlussstücken 2, die in die gegenüberliegenden Enden der GlashUlle eingeschmolzen sind. Mit dem linken Anschlussstück 2 ist eine Zunge 3 aus einem Material verbunden, welches mehrere stabile remanente Magnetisierungszustände annehmen kann.
Eine zweite Zunge 4 aus einem magnetischen Material, das vorteilhafterweise eine hohe Permeabilität aufweisen soll, ist mit dem rechten Anschlussstück 2 so verbunden, dass das freie Ende der Zunge 4 das freie Ende der Zunge 3 überlappt. Mit dem rechten Anschlussende 2 ist ferner ein Permanentmagnet 5 mit der in Fig. l angedeuteten Polarität verbunden. Um das Gehäuse 1 ist an seinem die Zunge 3 umschliessenden Teil eine Spule 6 gewickelt.
Der Permanentmagnet 5 erzeugt ein magnetisches Vorspannungsfeld, das am freien Ende der Zunge 4 einen entsprechenden magnetischen Pol hervorruft. Bei der in Fig. l gezeigten Orientierung des Magneten 5 hat die Zunge 4 an dem die Zunge 3 überlappenden Ende einen magnetischen Nordpol. Da ungleichnamige Pole einander anziehen und gleichnamige Pole einander abstossen, werden die Zungen 3 und 4 einander anziehen, wenn in der Zunge 3 eine remanente Magnetisierung hervorgerufen wird, die am freien Ende der Zunge 3 einen magnetischen Südpol erzeugt ; umgekehrt werden die Zungen 3 und 4 auseinandergetrieben, wenn in der Zunge 3 eine remanente Magnetisierung hervorgerufen wird, die am freien Ende der Zunge 3 einen magnetischen Südpol erzeugt.
Dem Zweck der Erfindung entsprechend wird für die Zunge 3 ein Material gewählt, welches eine solche Koerzitivkraft aufweist, dass durch einen Stromimpuls in der die Zunge 3 umgebenden Wicklung 6 im Material eine bestimmte remanente Magnetisierung hervorgerufen werden kann, die nach dem Aufhören des Stromes weiter bestehen bleibt, um die Bewegung der Kontakte zu bewirken. Für diesen Zweck eignet sich ein kohlenstoffreicher Stahl, der so erhitzt und gehärtet wird, dass er die Eigenschaft der magnetischen Remanenz erhält.
Bei dem beschriebenen Schalter ist zwar für die Zunge 4 ein magnetisches Material mit hoher magnetischer Permeabilität gewählt worden, in welchem durch den angeschlossenen Permanentmagneten 5 ein magnetischer Vorspannungsfluss aufrechterhalten wird, doch kann die Zunge 4 auch aus dem gleichen remanent magnetischen Material wie die Zunge 3 bestehen. In diesem Falle wird der remanente Magnetisierungszustand während der Herstellung des Materials hervorgerufen und nachher nicht mehr verändert. Hiebei wird der Permanentmagnet 5 überflüssig, doch kann dieser gegebenenfalls trotzdem beibehalten werden, um sicherzustellen, dass sich der remanente Magnetisierungszustand der Zunge 4 nicht etwa von selbst verändert.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten abgeänderten Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters umschliesst die Glashülle 1, durch deren gegenüberliegende Enden zwei Anschlussstücke 2 nach aussen ragen, zwei an den Anschlussstücken getragene Zungen 3. Bei dieser Ausführungsform bestehen beide Zungen 3 aus einem Material, das mehrere stabile remanente Magnetisierungszustände annehmen kann. Der remanente Magnetisierungszustand wird in jeder Zunge 3 durch eine der betreffenden Zunge zugeordnete Spule eines Spulenpaares 6 hervorgerufen.
Auf diese Weise können die einander überlappenden, die Schaltkontakte bildenden Teile 9 der beiden Zungen 3 geschlossen werden, indem den Spulen 6 ein kurzer StromImpuls in solcher Richtung zugeleitet wird, dass ein in Längsrichtung des Schalters durchgehendes magnetisches Feld erzeugt wird. Diese Impulse rufen in den beiden Zungen remanente Magnetisierungszustände hervor, die in den einander überlappenden Enden der beiden Zungen 3 ungleichnamige magnetische Pole erzeugen, wodurch diese Enden, auch nachdem der Impuls bereits geendet hat, einander anziehen und die Schaltkontakte 9 geschlossen halten, bis ein anderer Magnetisierungszustand hervorgerufen wird. Umgekehrt können die Schaltkontakte geöffnet werden, indem durch die beiden Spulen 6 kurze Stromimpulse In solcher Richtung geleitet werden, dass in den beiden Spulen gegensinnige magnetische Felder erzeugt werden.
Die Impulse rufen hiebei in den beiden Zungen 3 remanente Magnetisierungszustände hervor, durch welche an den freien Enden der beiden Zungen 3 gleichnamige magnetische Pole erzeugt werden, wodurch auch nach Beendigung der Impulse diese Enden auseinandergetrieben und die Schaltkontakte 9 offen gehalten werden, bis die remanenten Magnetisierungszustände wieder geändert werden.
Gemäss der Zeichnung bilden die einander überlappenden Enden der Zungen 3 und 4 die elektrischen Kontakte der dargestellten Schalter. Obgleich nach dieser Darstellung die Kontakte mit den zugehörigen Zungen 3 bzw. 4 aus einem Stück bestehen, sind zwecks deutlicher Beschreibung die freien Endabschnitte gesondert als Kontaktteile 9 bezeichnet. Die restlichen Teile der Zungen 3 bzw. 4 können als Kontakttragglieder angesehen werden. Gewünschtenfalls können in bekannter Weise getrennt hergestellte Kontakte an den Zungen 3 bzw. 4 befestigt sein.
Auf die beschriebene Weise ergibt sich nach der Erfindung ein einfacher, betriebssicherer Schalter, der die Betätigung eines Paares von mechanischen Schaltkontakten durch elektrische Signalimpulse ermöglicht, welche kürzer sind als die Ansprechzeit der Schaltkontakte an sich. Hiedurch bietet der erfindungsgemässe Schalter einerseits den erwünschten Vorteil der Anwendung sehr kurzer Steuerimpulse und anderseits die Vorteile der konstruktiv und schaltungstechnisch einfachen, magnetisch betätigten mechanischen Schalter. Der erfindungsgemässe Schalter kann ferner hinsichtlich des Leistungsverbrauches äusserst wirtschaftlich betätigt weiden.
Dem Schalter braucht nämlich elektrische Leistung nur während einer zur Hervorrufung der erforderlichen remanenten Magnetisierungszustände nötigen, sehr kurzen Zeit zugeführt zu werden, wodurch die Betätigung des Schalters mit einem Minimum an Leistungsaufwand ermöglicht wird.
Es sei hervorgehoben, dass gemäss einem Merkmal der Erfindung die relative Stellung der Schaltkontakte dauernd durch ein magnetisches Feld gesteuert wird, d. h., dass die Kontakte durch magnetische Feldkräfte geschlossen, geöffnet und in der jeweiligen Schaltstellung festgehalten werden. Demgemäss können beim erfindungsgemässen Schalter die bei bekannten Relaisschaltern zur Rückführung der Kontakte in eine bestimmte Ruhelage erforderlichen Federn oder andern Rückstellorgane entfallen. Der erfindungsgemässe Schalter kann infolge seines einfachen Aufbaues leicht und billig hergestellt werden und ist bei seiner Betätigung weitaus betriebssicherer als die bisher bekannten Schalter ähnlicher Art.
Fig. 3 veranschaulicht eine dem Schalter nach Fig. 2 ähnliche Ausführungsform der Erfindung, bei welcher jedoch eine andere Anordnung der Spulenwicklungen angewendet ist. Der Schalter hat eine Glashülle 1, aus deren gegenüberliegenden Enden Anschlussstücke herausragen. Von den Anschlussstücken 2 werden zwei Zungen 3 getragen, die aus einem Material bestehen, welches mehrere stabile remanente Magnetisierungszustände annehmen kann. Jede Zunge 3 ist von Windungen eines Leiters 7 und von Windungen eines Leiters 8 umschlossen, die so gewickelt sind, dass sie in jeder Zunge magnetomotorische Kräfte entgegengerichteter Polarität hervorrufen können. Beim Übergang von der einen Zunge 3 zur andern ändert sich der Windungssinn eines jeden Leiters 7 bzw. 8.
Jeder der beiden Leiter bildet um eine der beidenZun- gen doppelt so viele Windungen wie der andere Leiter, wobei jeweils eine Wicklung mit mehr Windungen des einen Leiters und eine Wicklung mit weniger Windungen des andern Leiters im Bereich einer Zunge liegen.
Bei der Betätigung des in Fig. 3 dargestellten Schalters führt jeder der beiden Leiter 7 bzw. 8 einen genügend starken Strom, um für sich allein das Material der von der jeweils kleineren Windungszahl umschlossenen Zunge bis zur Sättigung zu magnetisieren. Infolgedessen werden durch einen nur. einer Wicklung zugeführten Impuls beide Zungen 3 mit gegensinniger Polarität bis zur Sättigung magnetisiert, wodurch die Kontakte die geöffnete Stellung annehmen. Diese Wirkung ist von der Richtung des Impulsstro-
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wiegt das von der Wicklung mit der grösseren Windungszahl erzeugte Feld über das von der andem Wicklung erzeugte Feld und ist daher für die Magnetisierung der betreffenden Zunge 3 massgeblich.
Die sich ergebende remanente Magnetisierung der beiden Zungen 3 fahrt zu ungleichnamigen Polen an den freien Enden der Zungen 3, was ein Schliessen der Schaltkontakte zur Folge hat. Daraus ergibt sich, dass der Schalter nur bei gleichzeitiger Zuführung von Impulsen gleicherpolarität zu den entsprechenden Endender Wicklungen'7 und 8 geschlossen wird. Jede Kombination von ungleichzeitigen Impulsen bewirkt ein öff- nen der Schaltkontakte. Auf diese Weise ergibt sich ein einfaches elektromechanisches Ventil, das zur Anzeige eines gleichzeitigen Auftretens von Impulsen an zwei Eingängen geeignet ist.
Beim Zusammenbau einer Vielzahl von gemäss Fig. 3 ausgebildeten Schaltern in einer Koordinatenmatrix, wie solche in Telephonanlagen verwendet werden, kann ein besonderer Vorteil dieser erfindung-
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ten Zeile in Serie geschaltet werden, um eine horizontale Koordinate der Matrix zu bilden. In. gleicher Weise können die Wicklungen 8 der Schalter einer bestimmten Spalte in Serie geschaltet werden, um eine vertikale Koordinate der Matrix zu bilden. Die Auswahl (d. h. Betätigung) eines bestimmten Schalters kann durch gleichzeitige Impulsgabe an die horizontale und vertikale Koordinate dieses Schalters erfolgen. Gleichzeitig mit der Auswahl eines bestimmten Schalters werden automatisch alle übrigen, der gleichen horizontalen bzw. vertikalen Koordinate zugeordnetenSchalter geöffnet bzw. offen gehalten.
Auf diese Weise entfällt bei dieser Anordnung die Notwendigkeit, bestehende Verbindungen in einem Durchschaltnetzwerk erst zu trennen, bevor die Herstellung einer neuen Verbindung eingeleitet werden kann.
Beiden in der Zeichnung veranschaulichtenAusführungsbeispielen der Erfindung sind aus Gründen besserer Deutlichkeit keine zusätzlichen magnetischen Bauteile angedeutet, wie sie bei magnetisch betätigten Schaltern vorgesehen werden, um ihre Arbeitsweise zu begünstigen. GewUnschtenfalls können den dargestellten Schaltern solche zusätzliche Bauteile beigefügt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So kann z. B. eine magnetische Abschirmung vorgesehen sein, die das ganze Relais umschliesst, um den Schalter unter Aufrechterhaltung des im Innern des Schalters erzeugten magnetischen Feldes gegen äussere magnetische Felder abzuschirmen und gleichzeitig einen Rückflussweg mit verringerter Reluktanz für den magnetischen Fluss im Schalter zu bilden.
Ferner können in der Nähe der Kontakte 9 magnetische Nebenschlussglieder vorgesehen werden, um die Erzeugung von gegensinnig gerichteten magnetischen Feldern durch die Wicklungen 6, 7 und 8 zu begünstigen.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen nur den Grundgedanken der Erfindung erläutern und können selbstverständlich noch verschiedenartig abgewandelt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrischer Schalter mit einem Paar von relativ zueinander bewegbaren Kontakten, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kontaktträger aus einem Material besteht, das mehrere stabile remanente Magnetisierungszustände annehmen kann, und dass zwecks Kontaktbetätigung eine Einrichtung zur wahlweisen Hervorrufung eines bestimmten dieser Magnetisierungszustände vorgesehen ist.