Umschalteinrichtung mit zwei gegeneinander gestellten, miteinander mechanisch gekoppelten Bimetallstreifen Für Regel- und Steuergeräte werden Einrichtungen benötigt, mittels denen ein von einem Geber geliefertes sehr schwaches Signal, beispielsweise eine sehr kleine Gleichspannung einer Messbrücke, so weit verstärkt wird, dass ein Stellglied, z. B. ein an die Netzspannung angeschlossener Motor, gesteuert werden kann.
Es ist bekannt, für solche Zwecke Drehspulrelais zu verwenden, mittels denen eine Umschaltkontaktein- richtung betätigbar ist. Es sind für diesen Zweck auch bereits Bimetallrelais bekanntgeworden, bei denen ein Messorgan, z. B. eine Tauchspule, eine verstellbare Heiz- fahne oder z. B. eine Drehspule ein bewegbar gelagertes, durch eine stationäre Heizvorrichtung aufgeheiztes Klötzchen gegenüber einer Bimetallkontakteinrichtung steuert.
Bimetallrelais mit Tauchspulen oder Drehspulen ha ben den Nachteil, dass sie für viele Zwecke zu wenig robust, nicht erschütterungsfest und empfindlich gegen Überlastungen sind.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Bimetall kontakteinrichtung zu schaffen, bei der sich die Ver wendung der oben angeführten beweglichen und gegen Erschütterungen sowie elektrischen Überlastungen emp findlichen Teile vermeiden lässt.
Gemäss der Erfindung ist eine Umschalteinrichtung vorgesehen, mit zwei gegeneinander gestellten, mitein ander mechanisch gekoppelten Bimetallstreifen, die da durch gekennzeichnet ist, dass mit jedem der beiden Bimetallstreifen ein Transistor wärmeleitend verbun den ist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Es zei gen: Fig. 1 eine Umschalteinrichtung in Verbindung mit einer Reglerschaltung und die Fig. 2 bis 4 je einen mit einem Bimetallstreifen wärmeleitend verbundenen Transistor.
In der Fig. 1 bedeuten 1 und 2 je einen Bimetall streifen, deren untere Enden in einem Isolierstück 3 festgehalten und deren obere Enden mittels einer Stange 4 miteinander mechanisch gekoppelt sind. Die beiden Bimetallstreifen 1, 2 sind gegeneinander gestellt, d. h. ihre Seiten mit dem grösseren Ausdehnungskoeffi zienten liegen z. B. einander gegenüber. Durch die me chanische Kopplung mittels der Stange 4 wird somit erreicht, dass Änderungen der Umgebungstemperatur keinen Einfluss auf die Lage der Bimetalls'trefen 1, 2 haben.
Jeder Bimetallstreifen 1 bzw. 2 trägt einen Kontakt 5 bzw. 6, der gegenüber den Bimetallstreifen, z. B. durch je ein Isolierplättchen 7, elektrisch isoliert und über je eine flexible Leitung 8 mit Anschlüssen 9 bzw. 10 verbunden ist.
Die Kontakte 5, 6 wirken mit Kontakten 11, 12 zusammen, die an üblichen Kontaktfedern 13 ange ordnet sind und zu Anschlüssen 14 bzw. 15 führen. Werden die beiden Anschlüsse 9, 10 miteinander und mit dem einen Pol einer Wechselspannungsquelle 16 verbunden und die beiden Anschlüsse 14, 15 mit den Wicklungsenden eines Umkehrmotors 17, dessen Mittel klemme an den anderen Pol der Wechselspannungs- quelle 16 angeschlossen ist, so arbeitet die beschriebene Bimetall-Kontakteinrichtung als Umschaltkontakt mit neutraler Mittelstellung, d. h.
sind die Kontakte 5, 11 geschlossen, dreht sich der Umkehrmotor 17 in der einen Drehrichtung, sind hingegen die Kontakte 6, 12 geschlossen, dreht er sich in der entgegengesetzten Dreh richtung und sind beide Kontaktpaare 5, 11 und 6, 12 geöffnet, steht er still.
Mit jedem Bimetallstreifen 1, 2 ist nun ein Transis tor TI, bzw. T2 beispielsweise vom npn-Typ, mittels eines Lotes, Klebers oder einer Kittmasse gut wärme leitend verbunden, wobei die Verbindungsstelle etwa in mittlerer Höhe der Bimetallstreifen angeordnet ist. Als Klebemittel eignen sich besonders die für die An wendung von Dehnungsstreifen bekannten Stoffe.
Basis, Emitter und Kollektor eines jeden Transis tors T1 bzw. T2 sind über flexible Leitungen zu An- schlüssen 18 bis 23 geführt. Gemäss der in der Fig. 1 dargestellten beispielsweisen Reglerschaltung sind die beiden Kollektoranschlüsse 20, 21 untereinander und mit dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle 24 verbunden, während die beiden Emitteranschlüsse 19,
22 über je einen Emitterwiderstand 25 bzw. 26 mit einem Verbindungspunkt 27 verbunden sind, welcher einerseits an den negativen Pol der Gleichspannungs- quelle 24 und anderseits an eine Ausgangsklemme eines transistorisierten Differenzverstärkers 28 angeschlossen sind. Mit zwei weiteren Ausgangsklemmen dieses Ver stärkers sind die Basisanschlüsse 18, 19 direkt ver bunden.
Am Eingang des Differenzverstärkers 28 ist bei spielsweise die Messdiagonale einer Wheatstonschen Messbrücke 29 angeschlossen, welche ein die Messgrösse erfassendes Messglied 30, z. B. einen temperaturemp- findlichen Widerstand, enthält.
Ist die Messbrücke 29 abgeglichen, liegt an der Messdiagonale keine Spannungsdifferenz, d. h. der Ein gangsstrom IE des Differenzverstärkers ist gleich Null und die beiden Ausgangsströme 1i, 12 sind, bei glei chen Kennwerten der verwendeten Transistoren, gleich gross. Dies hat zur Folge, dass in den beiden belasteten Transistoren eine gleichgrosse Kollektorverlustleistung erzeugt wird.
Die im belasteten Transistorsystem ent stehende Verlustwärme wird über den Wärmewider stand zwischen der Kollektorsperrschicht und dem Tran sistorgehäuse an dieses weitergeleitet. Da die Gehäuse der Transistoren TI, T2 mit den Bimetallstreifen 1, 2 gut wärmeleitend verbunden sind, findet ein direkter Wärmeübergang zwischen den Transistoren und den Bimetallstreifen statt,
so dass beide Bauelemente in jedem Betriebszustand eine annähernd gleiche Tempera tur aufweisen. Die beiden Bimetallstreifen 1, 2 haben somit die Tendenz, sich um den gleichen Betrag vonein ander wegzubiegen bzw. gegeneinander zu biegen, was aber durch die vorgesehene mechanische Kopplung mit tels der Stange 4 verhindert wird, d. h. die beiden Bi metallstreifen 1, 2 verbleiben im:
betrachteten Fall praktisch in der in Fig. 1 dargestellten Lage, da die Kraftwirkungen der Bimetallstreifen entgegengesetzt ge richtet sind und sich deshalb aufheben.
Sind die Ausgangsströme Il, 12 hingegen unter schiedlich, was bei einer Verstimmung der Messbrücke 29 eintritt, so ergeben sich auch unterschiedliche Kollek- torverlustleistungen, d. h. der Transistor mit der grösse ren Kollektorverlusitleistung wird den ihm zugeordneten Bimetallstreifen stärker erwärmen als der Transistor mit der kleineren Verlustleistung den diesem zugeordneten Bimetallstreifen zu erwärmen vermag.
Die Folge ist, dass die Kraftwirkung des stärker erwärm@ben Bimetall streifens überwiegt. Es ergibt sich somit eine resultie rende Differenz der Kraftwirkungen, die bewirkt, dass die beschriebene Bimetall-Umschalteinrichtung in Rich tung der resultierenden Kraftwirkung ausgelenkt wird und dass, je nachdem ob Il grösser oder kleiner als 12 ist, die entsprechenden Kontaktpaare 5, 11 oder 6, 12 geschlossen werden, wodurch der Umkehrmotor 17 in der gewünschten Richtung zu drehen beginnt.
Der vorgesehene mit Transistoren bestückte Diffe renzverstärker weist im Verhältnis zu anderen Ver- stärkerarten eine grosse Nullpunktsicherheit auf, was sich bei einer Reg@erschaltung günstig auswirkt. Der Umstand, dass bei abgeglichener Messbrücke durch die Transistoren T1, T2 gleichgrosse Ruheströme fliessen, ist deshalb von Vorteil, weil sich dadurch,
wegen der quadratischen Abhängigkeit zwischen Strom und er zeugter Wärme, eine grössere Empfindlichkeit ergibt als dies der Fall wäre, wenn die Steuerung der Transis- toren von einem Ausgangsstrom I = O ausgehen würde. Ausserdem ergibt sich natürlich ein verstärkter Effekt durch die Verwendung von Transistoren für die Erwärmung der Bimetallstreifen, da mit den Transisto- ren eine Stromverstärkung erzielt wird.
An Stelle von einem Transistor je Bimetallstreifen können auch meh rere, die parallel oder in Reihe geschaltet sind, Ver wendung finden.
Um die beschriebene Bimetall-Umschalteinrichtung unempfindlicher gegen äussere Einflüsse zu machen, um die Wärmeableitung klein zu halten und um die Kon takte gegen Abbrand, Oxydation und Verschmutzung zu schützen, ist es zweckmässig, diese Einrichtung in ein evakuiertes oder in ein mit einem Schutzgas ge- fülltes Gefäss unterzubringen, wie dies in Fig. 1 durch die Umrandungslinie 31 angedeutet ist.
In Fig. 2 ist dargestellt, wie ein Transistor T1 mit einem Bimetallstreifen gut wärmeleitend verbunden ist. Die Löt-, Kleb- bzw. Kittverbindung ist mit 32 bezeich net. Es ist zweckmässig, zwischen Transistorgehäuse und Bimetallstxeifen eine möglichst grosse Berührungs fläche zu haben. Dies wird, wie in Fig. 3 dargestellt, beispielsweise dadurch erzielt, dass der Bimetallstreifen 1 an der Berührungsstelle eine entsprechend geformte Verbreiterung 33 aufweist.
Weist der Transistor keine geeigneten Flächen für eine direkte wärmeleitende Ver bindung mit dem Bimetallstreifen auf, wird der Transis tor mit einem geeigneten Kühlkörper 34 versehen, der dann mit dem Bimetallstreifen wärmeleitend verbunden wird.
Switching device with two opposing, mechanically coupled bimetallic strips. For regulating and control devices, devices are required by means of which a very weak signal supplied by a transmitter, for example a very small DC voltage from a measuring bridge, is amplified to such an extent that an actuator, e.g. B. a motor connected to the mains voltage can be controlled.
It is known to use moving coil relays for such purposes, by means of which a changeover contact device can be actuated. For this purpose, bimetal relays have also become known in which a measuring element, e.g. B. a plunger coil, an adjustable heating element or z. B. a moving coil controls a movably mounted, heated by a stationary heating device block against a bimetal contact device.
Bimetal relays with moving coils or moving coils have the disadvantage that they are not robust enough for many purposes, are not shock-proof and are sensitive to overload.
The object of the invention is to create a bimetal contact device in which the use of the movable parts listed above and sensitive to vibrations and electrical overloads can be avoided.
According to the invention, a switching device is provided with two oppositely positioned, mutually mechanically coupled bimetal strips, which is characterized in that a transistor is thermally connected to each of the two bimetal strips.
An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is shown schematically in the drawing. It shows: Fig. 1 a switching device in connection with a regulator circuit and Figs. 2 to 4 each have a thermally connected transistor connected to a bimetal strip.
In Fig. 1 1 and 2 each denote a bimetal strip, the lower ends of which are held in an insulating piece 3 and the upper ends of which are mechanically coupled to one another by means of a rod 4. The two bimetal strips 1, 2 are placed against each other, i.e. H. their sides with the larger expansion coefficient are z. B. opposite each other. The mechanical coupling by means of the rod 4 thus ensures that changes in the ambient temperature have no influence on the position of the bimetallic joints 1, 2.
Each bimetal strip 1 or 2 carries a contact 5 or 6, which is opposite to the bimetal strip, for. B. by an insulating plate 7, electrically isolated and connected via a flexible line 8 to terminals 9 and 10, respectively.
The contacts 5, 6 interact with contacts 11, 12 which are arranged on conventional contact springs 13 and lead to connections 14 and 15, respectively. If the two connections 9, 10 are connected to one another and to one pole of an AC voltage source 16 and the two connections 14, 15 to the winding ends of a reversing motor 17, the middle terminal of which is connected to the other pole of the AC voltage source 16, the described works Bimetal contact device as a changeover contact with a neutral center position, d. H.
If the contacts 5, 11 are closed, the reversing motor 17 rotates in one direction of rotation, but if the contacts 6, 12 are closed, it rotates in the opposite direction of rotation and if both pairs of contacts 5, 11 and 6, 12 are open, it stands quiet.
With each bimetallic strip 1, 2 a transistor TI, or T2, for example, of the npn type, is connected with good heat conductivity by means of a solder, adhesive or a putty, the connection point being arranged approximately in the middle of the bimetallic strip. The substances known for the application of stretch marks are particularly suitable as adhesives.
The base, emitter and collector of each transistor T1 and T2 are led to connections 18 to 23 via flexible lines. According to the exemplary regulator circuit shown in FIG. 1, the two collector connections 20, 21 are connected to one another and to the positive pole of a DC voltage source 24, while the two emitter connections 19,
22 are each connected via an emitter resistor 25 or 26 to a connection point 27 which is connected on the one hand to the negative pole of the direct voltage source 24 and on the other hand to an output terminal of a transistorized differential amplifier 28. The base connections 18, 19 are directly connected to two other output terminals of this amplifier.
At the input of the differential amplifier 28, for example, the measuring diagonal of a Wheatstone measuring bridge 29 is connected, which includes a measuring element 30, z. B. contains a temperature-sensitive resistor.
If the measuring bridge 29 is balanced, there is no voltage difference on the measuring diagonal, i. H. the input current IE of the differential amplifier is equal to zero and the two output currents 1i, 12 are of equal size, given the same characteristic values of the transistors used. This has the consequence that an equally large collector power loss is generated in the two loaded transistors.
The heat loss occurring in the loaded transistor system is passed on to the transistor housing via the thermal resistance between the collector barrier layer and the Tran sistorgehäuse. Since the housings of the transistors TI, T2 are connected to the bimetal strips 1, 2 with good thermal conductivity, there is a direct heat transfer between the transistors and the bimetal strips,
so that both components have approximately the same temperature in every operating state. The two bimetallic strips 1, 2 thus have a tendency to bend away from each other by the same amount or to bend against each other, but this is prevented by the intended mechanical coupling with means of the rod 4, d. H. the two bimetal strips 1, 2 remain in:
considered case practically in the situation shown in Fig. 1, since the force effects of the bimetal strips are directed opposite ge and therefore cancel each other out.
If, on the other hand, the output currents I1, 12 are different, which occurs if the measuring bridge 29 is detuned, then there are also different collector power losses, ie. H. the transistor with the larger collector power loss will heat the bimetal strip assigned to it more than the transistor with the lower power loss is able to heat the bimetallic strip assigned to it.
The consequence is that the force effect of the more heated bimetal strip predominates. This results in a resulting difference in the force effects, which has the effect that the described bimetal switchover device is deflected in the direction of the resulting force effect and that, depending on whether II is greater or less than 12, the corresponding contact pairs 5, 11 or 6 , 12 are closed, whereby the reversible motor 17 begins to rotate in the desired direction.
Compared to other types of amplifiers, the proposed differential amplifier equipped with transistors has a high level of zero point security, which has a positive effect when it is switched on. The fact that with a balanced measuring bridge through the transistors T1, T2 equally large quiescent currents flow is advantageous because it
because of the quadratic dependence between current and generated heat, results in a greater sensitivity than would be the case if the control of the transistors were based on an output current I = O. In addition, of course, there is an increased effect through the use of transistors for heating the bimetallic strips, since a current gain is achieved with the transistors.
Instead of one transistor per bimetal strip, several that are connected in parallel or in series can also be used.
In order to make the described bimetal changeover device less sensitive to external influences, to keep the heat dissipation small and to protect the contacts against burn-off, oxidation and contamination, it is advisable to move this device into an evacuated one or into a protective gas to accommodate the filled vessel, as indicated in FIG. 1 by the border line 31.
In Fig. 2 it is shown how a transistor T1 is connected to a bimetal strip with good thermal conductivity. The soldered, glued or cemented connection is denoted by 32. It is advisable to have the largest possible contact surface between the transistor housing and the bimetallic tube. As shown in FIG. 3, this is achieved, for example, in that the bimetallic strip 1 has a correspondingly shaped widening 33 at the point of contact.
If the transistor does not have suitable surfaces for a direct thermally conductive connection to the bimetal strip, the transistor is provided with a suitable heat sink 34 which is then connected to the bimetal strip in a thermally conductive manner.