-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schalteinheit mit drei Außenanschlüssen, bei der zwei Außenanschlüsse über eine Widerstandsordnung miteinander verbunden sind und der dritte Außenanschluss über ein temperaturabhängiges Schaltwerk mit zumindest einem der beiden Außenanschlüsse verbindbar ist.
-
Eine derartige Schalteinheit ist intern im Hause der Anmelderin bekannt, sie soll erfindungsgemäß beispielsweise in einer Schaltungsanordnung für eine Motorsteuerung eingesetzt werden.
-
Die Motorsteuerung dient dazu, einen Motor kurzfristig, insbesondere während der Anlaufphase, zusätzlich über eine Hilfswicklung anzutreiben, um ein erhöhtes Anlaufmoment zu erzeugen. Derartige Motorsteuerungen sind insbesondere für Wasserpumpen erforderlich, die aus tiefen Brunnen Trinkwasser fördern.
-
Wenn der Pumpenmotor nach Stillstand wieder eingeschaltet wird, benötigt er ein höheres Anlaufmoment, das jedoch nur für eine kurze Zeit, vorzugsweise wenige hundert msec, aufgebracht werden muss. Neben der Hauptwicklung weist ein derartiger Pumpenmotor daher eine Hilfswicklung auf, die nur kurzzeitig bestromt werden soll.
-
Die Steuerung der Hilfswicklung erfolgt im Stand der Technik bisher über eine elektronische Schaltung, die in Abhängigkeit von diversen Parametern die Hilfswicklung nach der Anlaufphase des Pumpenmotors abschaltet, um ein Überhitzen des Pumpenmotors zu verhindern. Zu diesen äußeren Parametern zählt unter anderem der Strom durch die Hauptwicklung sowie die Außentemperatur.
-
Für die Steuerung des Pumpenmotors ergibt sich daher ein komplexes Kennfeld, das im Stand der Technik über die elektronische Schaltung abgebildet wurde.
-
Derartige Schaltungen sind jedoch technisch aufwändig, teuer und fehleranfällig. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Schaltungen in einem großen Temperaturbereich von beispielsweise –25°C bis +150°c eingesetzt werden sollen.
-
Die neue Schalteinheit kann nach Erkenntnis der Erfinder nun dazu verwendet werden, in Abhängigkeit von einem von dem ersten zu dem zweiten Außenanschluss fließenden Strom über den dritten Außenanschluss beispielsweise einen elektronischen Schalter zu betätigen, der beliebige Steuerfunktionen auslösen kann. Die neue Schalteinheit ist also nicht ausschließlich für Motorsteuerungen einsetzbar.
-
Im Ruhezustand ist das temperaturabhängige Schaltwerk in der neuen Schalteinheit geschlossen und der dritte Außenanschluss liegt auf dem Potenzial eines der beiden anderen Außenanschlüsse.
-
Die Widerstandsanordnung zwischen dem ersten und dem zweiten Außenanschluss heizt sich durch einen fließenden Strom jetzt auf, was wiederum dazu führt, dass bei Überschreiten der Ansprechtemperatur des temperaturabhängigen Schaltwerks in der neuen Schalteinheit der dritte Außenanschluss von den beiden anderen Außenanschlüssen getrennt und damit potenzialfrei geschaltet wird. Damit eignet sich die Schalteinheit dazu, beispielsweise Thyristoren oder TRIACs anzusteuern.
-
Neben dem Stromfluss durch die Widerstandsanordnung beeinflusst prinzipiell auch die Außentemperatur das Schaltverhalten eines temperaturabhängigen Schaltwerks. Im vorliegenden Fall soll aber die Außentemperatur möglichst keinen Einfluss auf das Schaltverhalten haben.
-
Auf diese Weise soll also an dem dritten Außenanschluss für eine bestimmte Ansprechzeit ein Steuersignal beispielsweise für einen elektronischen Schalter abgegeben werden, wobei die Ansprechzeit von der Stärke und der Dauer des durch die Widerstandsanordnung fließenden Stromes abhängt, aber nicht durch die Außentemperatur bestimmt wird.
-
Die Höhe des fließenden Stromes sowie die Zeitdauer nach dem Einschalten des Stromes bestimmen die Temperatur, die in der neuen Schalteinheit erzeugt wird und schließlich das temperaturabhängige Schaltwerk in der neuen Schalteinheit öffnet.
-
Durch die Wahl des Widerstandswertes der Widerstandsanordnung innen in der neuen Schalteinheit wird somit im Umkehrschluss die Zeit bestimmt, für die an dem dritten Außenanschluss ein Steuersignal für den elektronischen Schalter anliegt.
-
Je höher der Widerstandswert der Widerstandsanordnung ist, umso länger dauert es bei einer festen anliegenden Spannung, bis der dritte Außenanschluss einen Wechsel des anstehenden Signals zeitigt.
-
Die mechanischen und elektrischen Zusammenhänge sind bei der neuen Schalteinheit kompliziert zu überschauen, so dass bisher derartige Schalteinheiten nicht verwendet wurden, um elektrische Verbraucher im geschilderten Sinne zu betreiben.
-
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben nun jedoch erkannt, dass durch eine Schalteinheit mit drei Außenanschlüssen, bei denen zwischen zwei Außenanschlüssen eine Widerstandseinheit geschaltet ist und der dritte Außenanschluss über ein temperaturabhängiges Schaltwerk mit zumindest einem der beiden Außenanschlüsse verbunden ist, eine Steuerschaltung aufgebaut werden kann, mit der elektrische Verbraucher vorzugsweise weitgehend unabhängig von der Umgebungstemperatur aber abhängig von dem Stromfluss und der Stromflussdauer durch die Widerstandsanordnung gesteuert werden können.
-
Das temperaturabhängige Schaltwerk umfasst dabei vorzugsweise zumindest eine stromdurchflossene Bimetallfeder.
-
Die stromdurchflossene Bimetallfeder erhitzt sich durch den Stromfluss sehr schnell und erreicht dann ihre Ansprechtemperatur, bei der sie sie ihre mechanische Form schlagartig ändert. Dies unterscheidet die neue Schalteinheit von stromabhängig schaltenden Temperaturwächtern, wie sie beispielsweise aus der
DE 198 47 208 A1 bekannt sind.
-
Bei stromabhängig schaltenden Temperaturwächtern werden definierte ohmsche Widerstände in Reihe zu dem eigentlichen Schaltwerk geschaltet, um für die Aufheizung der Bimetallfeder auf eine Temperatur oberhalb ihrer Sprungtemperatur zu sorgen, wenn der fließende Strom zu groß geworden ist. Derartige Temperaturwächter sind wegen ihres trägeren Schaltverhaltens daher in der Regel nicht in der Lage, innerhalb weniger hundert msec anzusprechen und daher für die vorliegende Schaltungsaufgabe nicht geeignet.
-
Deshalb wird bei der neuen Schalteinheit der Strom direkt durch eine Bimetallfeder geleitet, was auf dem Gebiet der Temperaturwächter eigentlich unerwünscht ist. Damit ist es nach Erkenntnis der Erfinder nun möglich, die Steuersignale nur für eine sehr kurze Zeitdauer auszugeben und sie schon innerhalb sehr kurzer Zeit nach dem Beginn des Stromflusses wieder abzuschalten.
-
Damit haben die Erfinder einen Weg gefunden, wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung Bimetallfedern eingesetzt werden können, deren elektrische und mechanische Eigenschaften gut bekannt und einfach justiert werden können.
-
Vor dem Hintergrund der obigen Ausführungen betrifft die vorliegende Erfindung ferner eine Schaltungsanordnung mit der neuen Schalteinheit sowie mit einem elektronischen Schalter, dessen Steuereingang mit dem dritten Außenanschluss der Schalteinheit verbunden ist.
-
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn parallel zu dem ersten und dem zweiten Außenanschluss ein Trimmwiderstand angeordnet ist, dessen Widerstandswert einstellbar ist.
-
Die Widerstandsanordnung sowie der Trimmwiderstand bilden so eine Parallelschaltung, so dass der Strom sich auf den Trimmwiderstand und die Widerstandsanordnung aufteilt. Wenn der Trimmwiderstand einen Widerstandswert aufweist, der sehr viel größer ist als der der Widerstandsanordnung, so fließt der Strom fast ausschließlich durch die Widerstandsanordnung, und die Ansprechzeit der Schalteinheit wird durch den Widerstandswert der Widerstandsanordnung bestimmt.
-
Je kleiner jedoch der Widerstandswert des Trimmwiderstandes wird, umso weniger Strom fließt in dem Stromteiler durch die Widerstandsanordnung, so dass sich die Ansprechzeit der neuen Schalteinheit verlängern lässt, wenn der Widerstandswert des Trimmwiderstandes verringert wird.
-
Mit anderen Worten, für denselben Betrag des durch die Schaltungsanordnung fließenden Stromes kann durch Veränderung des Trimmwiderstandes die Ansprechzeit der Schalteinheit verändert werden. Die kürzeste Ansprechzeit ist durch den Widerstandswert der Widerstandsanordnung gegeben. Durch Verringerung des Widerstandswertes des Trimmwiderstandes kann diese Ansprechzeit verlängert werden.
-
Auf diese Weise ist es jetzt möglich, die Schaltungsanordnung für verschiedene Einsatzaufgaben auszulegen, indem lediglich der Trimmwiderstand verändert werden muss.
-
Typische Widerstandswerte liegen bei 100 bis 300 m Ohm für die Widerstandsanordnung und wenigen Ohm für den Trimmwiderstand, der sich dann auf unter 1 Ohm heruntertrimmen lässt.
-
Von besonderem Vorteil ist dabei jedoch, dass bei der Fertigung der Schalteinheit nicht zu großes Augenmerk auf den Widerstandswert der Widerstandsanordnung selbst gerichtet werden muss, sondern dass die Schalteinheit über den Trimmwiderstand nachjustiert werden kann.
-
Der Widerstandswert der Widerstandsanordnung ergibt sich nämlich aus verschiedenen Kontaktstrecken und stromführenden Strecken in der Schalteinheit, so dass er nicht exakt reproduzierbar im Rahmen einer Massenproduktion hergestellt werden kann.
-
Daher werden temperaturabhängige Schaltwerke häufig mechanisch nachjustiert, was aber zeitaufwändig und kostenintensiv ist.
-
Durch die externe Beschaltung mit dem Trimmwiderstand ist es jetzt dagegen möglich, eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, die bei einem bestimmten Stromfluss definiert nach einer bestimmten Ansprechzeit abschaltet, ohne dass aufwändige mechanische Justierungen vorgenommen werden müssen.
-
Die neue Schaltungsanordnung ist zudem sehr robust und technisch einfach aufgebaut, so dass sie auch unter rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden kann.
-
Dabei ist es bevorzugt, wenn das temperaturabhängige Schaltwerk mit einem Mittenabgriff der Widerstandsanordnung verbunden ist.
-
Bei dieser Maßnahme ist von Vorteil, dass der dritte Außenanschluss über den Widerstandsteiler, also jeweils über einen Teilwiderstand, sowohl mit dem ersten Außenanschluss als auch mit dem zweiten Außenanschluss verbunden ist, was für die Erfüllung steuerungstechnischer Aufgaben von Vorteil ist.
-
Weiter ist es bevorzugt, wenn der temperaturabhängige Schalter zumindest eine erste, stromdurchflossene Bimetallfeder umfasst, die an ihrem freien Ende einen ersten Schaltkontakt umfasst und an ihrem zweiten Ende an einem Träger eingespannt ist.
-
Besonders bevorzugt ist es, wenn der temperaturabhängige Schalter eine zweite Bimetallfeder umfasst, die an ihrem freien Ende einen Schaltkontakt aufweist und an ihrem anderen Ende an dem Träger eingespannt ist.
-
Auf diese Weise wird ein temperaturabhängiger Schalter mit zwei Bimetallfedern geschaffen, die beispielsweise mit ihren freien Enden so aufeinander liegen, dass die dort gehaltenen Schaltkontakte in Anlage miteinander sind.
-
Dabei ist es bevorzugt, wenn die beiden Bimetallfedern so geprägt und mechanisch so justiert und angeordnet sind, dass sie sich bei Änderungen der Umgebungstemperatur in einem Temperaturbereich von unter 0°C bis mindestens 100°C mit ihren vorderen Enden derart in dieselbe Richtung biegen, dass die Schaltkontakte in Anlage miteinander bleiben.
-
Bei Änderung der Umgebungstemperatur bewegen sich jetzt beide Bimetallfedern in dieselbe Richtung, so dass sich die Schaltkontakte auch bei Erhöhung oder Verringerung der Umgebungstemperatur nicht voneinander weg bewegen. Erst bei Stromfluss durch die erste Bimetallfeder erhitzt sich die erste Bimetallfeder starker als die zweite Bimetallfeder und die Bimetallfedern bewegen sich unterschiedlich, wodurch das Schaltwerk öffnet.
-
Dabei ist es bevorzugt, wenn eine der beiden Bimetallfedern zwei vorzugsweise parallel zueinander verlaufende Stege aufweist, die über ein Verbindungsstück miteinander verbunden sind, an dem der Schaltkontakt ausgebildet ist, wobei der erste Steg mit dem ersten Außenanschluss und der zweite Steg mit dem zweiten Außenanschluss verbunden ist.
-
Diese Maßnahme ist insbesondere konstruktiv von Vorteil, denn die Bimetallfeder mit ihren beiden vorzugsweise parallel zueinander verlaufenden Stegen ist jetzt in Reihe zwischen die beiden Außenanschlüsse geschaltet, so dass sie unmittelbar vom Strom durchflossen wird, aber trotzdem ein freies bewegliches Ende aufweist, an dem ein beweglicher Schaltkontakt angeordnet ist.
-
Diese Bimetallfeder mit ihren beiden Stegen sowie dem Verbindungsstück mit dem Schaltkontakt bildet somit den wesentlichen Teil der Widerstandsanordnung in der neuen Schalteinheit. Bei Stromfluss durch die neue Schalteinheit fließt der Strom also durch die beiden Stege und das Verbindungsstück der Bimetallfeder und heizt dabei diese Bimetallfeder auf.
-
Die Heizwirkung des Stromes, die ja zu dem Schalten der Schalteinheit führen soll, erfolgt damit unmittelbar in einer der beiden Bimetallfedern, so dass hier für ein sehr schnelles Ansprechen der Schalteinheit gesorgt ist.
-
Wenn der dritte Außenanschluss zum Steuern des Halbleiterschalters verwendet wird, der an seinem Steuereingang einen hohen Eingangswiderstand aufweist, so fießt trotz der Potenzialanbindung des dritten Außenanschlusses an die beiden anderen Außenanschlüsse nur ein vernachlässigbarer Strom durch die zweite Bimetalleder, die sich daher durch den fließenden Strom nicht oder nur unerheblich aufheizt.
-
Dabei ist es bevorzugt, wenn jede Bimetallfeder mechanisch mit einem elektrisch leitenden Anschlussstück verbunden ist, wobei die beiden Anschlussstücke mit den beiden Bimetallfedern unverlierbar an einem Trägerklotz aus Kunststoff festgelegt sind.
-
Diese Maßnahme ist konstruktiv von Vorteil, denn über die beiden Anschlussstücke erfolgt neben dem mechanischen Halten zugleich auch die elektrische Kontaktierung der Bimetallfedern.
-
Daher ist es bevorzugt, wenn an dem Anschlussstück jeweils zumindest eine Lasche vorgesehen ist, die als Außenanschluss dient.
-
Bei der Bimetallfeder mit den beiden Stegen ist es bevorzugt, wenn das Anschlussstück ebenfalls zwei Stege aufweist, von denen jeder mit einem Steg der Bimetallfeder verbunden ist und eine eigene Lasche für den Außenanschluss aufweist.
-
Zu Montagezwecken können die beiden Stege des Anschlussstückes über ein Verbindungsteil fest miteinander verbunden sein, so dass die Stege nicht ausschließlich durch das Verbindungsstück aus Bimetall sondern gleichzeitig auch durch das Verbindungsteil aus elektrisch leitfähigem Material aneinander gehalten werden, so dass sie bei der Montage nicht verbiegen können. Nach der Montage wird das Verbindungsteil abgetrennt.
-
Die neue Schalteinheit umfasst somit zwei Bimetallfedern, von denen die eine stromdurchflossen ist, während die andere unterhalb der Ansprechtemperatur der ersten, stromdurchflossenen Bimetalleder unabhängig von der Umgebungstemperatur mit der ersten Bimetallfeder über die beweglichen Kontakte in Anlage ist und den dritten Außenanschluss mit dem mittenabgriff verbindet.
-
Die Ansprechtemperatur der ersten Bimetallfeder, bei der sie ihre mechanische Form schlagartig ändert, liegt oberhalb der maximal zulässigen Umgebungstemperatur, zumindest oberhalb von 100°C, vorzugsweise oberhalb von 150°C.
-
Jede der beiden Bimetallfedern weist an ihrem freien Ende eine Sicke auf, wobei die beiden Sicken quer zueinander verlaufen, so dass der Kreuzungspunkt der beiden Sicken die beiden Schaltkontakte darstellt.
-
Die beweglichen Schaltkontakte sind vorzugsweise als quer zueinander verlaufende Kontaktstege ausgebildet.
-
Dabei ist von Vorteil, dass der Kontaktpunkt der beiden Kontaktstege sich beim gleichsinnigen, umgebungstemperaturabhängigen Verbiegen der beiden Bimetallfedern zwar verschiebt, der elektrische Kontakt aber erhalten bleibt.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Motorsteuerung, bei der eine Hauptwicklung an eine Versorgungsspannung anschließbar ist, wobei parallel zu der Hauptwicklung eine Hilfswicklung hegt, und wobei die neue Schaltungsanordnung vorgesehen ist, deren elektronischer Schalter in Reihe zu der Hilfswicklung parallel zu der Hauptwicklung liegt, wobei eine Versorgungswicklung an die Hauptwicklung angekoppelt ist und der erste und der zweite Außenanschluss mit der Versorgungswicklung verbunden sind.
-
Diese Motorsteuerung ist so aufgebaut, dass beim Einschalten des Motors Strom durch die Hauptwicklung fließt und gleichzeitig auch Strom durch die Hilfswicklung fließt, weil nämlich der elektrische Schalter, der in Reihe zu der Hilfswicklung angeordnet ist, noch geschlossen ist, weil an seinem Steuereingang der dritte Außenanschluss der neuen Schalteinheit dafür sorgt, dass der Schalter geöffnet ist.
-
Der durch die Hauptwicklung fließende Strom erregt jetzt die Versorgungswicklung, so dass in der Versorgungswicklung und somit auch in der Widerstandsanordnung in der neuen Schalteinheit ein Strom fließt, der proportional zu dem Strom in der Hauptwicklung ist.
-
Dieser Stromfluss führt jetzt dazu, dass das temperaturabhängige Schaltwerk sich sehr kurzfristig öffnet, so dass der dritte Außenanschluss nicht mehr mit einem der beiden anderen Außenanschlüsse verbunden ist und der elektrische Schalter öffnet. Damit wird die Hilfswicklung vom Stromfluss abgeschaltet, und der Motor wird nur noch über die Hauptwicklung betrieben.
-
Die Zeitdauer, für die die Hilfswicklung ebenfalls mit Strom versorgt wurde, wird bestimmt durch den durch die Hauptwicklung fließenden Strom und den Widerstandswert der Widerstandsanordnung in der neuen Schalteinheit, ist aber unabhängig von der jeweiligen Außentemperatur.
-
Um die Ansprechtemperatur beeinflussen zu können, ist der parallel angeordnete Trimmwiderstand vorgesehen, der zu einer Verlängerung der kürzesten Ansprechzeit führt, wie sie durch den Widerstandswert der Widerstandsanordnung allein gegeben ist.
-
Diese neue Motorsteuerung ist extrem robust und technisch sehr einfach aufgebaut, da sie abgesehen von dem elektrischen Schalter, der in der Regel ein TRIAC ist, keine elektronischen Komponenten aufweist und zudem über den Trimmwiderstand extrem einfach justiert werden kann.
-
Die Justage eines Trimmwiderstandes ist im Bereich der Technik hinreichend bekannt, hier können beispielsweise Schichtwiderstände vorgesehen sein, von denen dann mit Hilfe eines Lasers Teile der Widerstandsschicht abgetragen werden. Es ist auch möglich, mehrere parallele Schichtwiderstände vorzusehen, und dann auf mechanisch geeignete Weise die Schichtwiderstände aus der Parallelschaltung zu entfernen, deren Widerstandswert nicht benötigt wird.
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein schematisches elektrisches Ersatzschaltbild der neuen Schalteinheit;
-
2 eine schematische Frontansicht eines Ausführungsbeispiels der Schalteinheit aus 1;
-
3 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Motorsteuerung, in der die neue Schalteinheit verwendet wird;
-
4 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Ansprechzeit der neuen Schalteinheit vom Stromfluss darstellt;
-
5 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Ansprechzeit der neuen Schalteinheit in Abhängigkeit von dem Widerstandswert eines Trimmwiderstandes darstellt; und
-
6 bis 9 ein konkretes Ausführungsbeispiel der neuen Schalteinheit in verschiedenen Stadien der Montage.
-
In 1 ist mit 10 eine Schalteinheit bezeichnet, die drei Außenanschlüsse 11, 12 und 13 aufweist.
-
Zwischen dem ersten Außenanschluss 11 und dem zweiten Außenanschluss 12 ist eine Widerstandsanordnung 14 vorgesehen, die aus einer Reihenschaltung von zwei Teilwiderständen 15 und 16 besteht, zwischen denen ein Mittenabgriff 17 vorgesehen ist.
-
An den Mittenabgriff 17 ist ein temperaturabhängiges Schaltwerk 18 angeschlossen, an das ein Ende eines Längswiderstandes 19 angeschlossen ist, dessen anderes Ende mit dem dritten Außenanschluss 13 verbunden ist.
-
Durch die Widerstände 15, 16 und 19 sind sowohl parasitäre Widerstände, die sich aufgrund der Übergangswiderstände zwischen verschiedenen Materialien in der Schalteinheit 10 ergeben, als auch die Widerstandswerte der Materialien selbst repräsentiert.
-
Fließt von dem ersten Außenanschluss 11 ein Strom in den zweiten Außenanschluss 12, so führt dies in den Widerständen 15 und 16 zu einer Wärmeentwicklung, die schließlich das temperaturabhängige Schaltwerk 18 öffnet, das ansonsten geschlossen ist.
-
Solange das temperaturabhängige Schaltwerk 18 geschlossen ist, ist der dritte Außenanschluss über die Widerstände 19 und 15 mit dem ersten Außenanschluss sowie über die Widerstände 19 und 16 mit dem zweiten Außenanschluss 12 verbunden.
-
Diese Schalteinheit 10 kann jetzt dazu verwendet werden, in Abhängigkeit von einem Stromfluss von dem ersten Außenanschluss 11 zu dem zweiten Außenanschluss 12 das temperaturabhängige Schaltwerk 18 zu öffnen.
-
Solange das Schaltwerk 18 geschlossen ist, steht an dem dritten Außenanschluss 13 ein Steuersignal an, über das beispielsweise ein elektrischer oder elektronischer Schalter gesteuert werden kann.
-
Bei entsprechendem Stromfluss öffnet das temperaturabhängige Schaltwerk 18, und der dritte Außenanschluss 13 wird potentialfrei geschaltet, so dass er den elektrischen oder elektronischen Schalter nicht mehr geöffnet halten kann.
-
In 2 ist in schematischer Frontansicht eine erste Realisierung für die Schalteinheit 10 gezeigt.
-
Die Schalteinheit 10 umfasst eine erste Bimetallfeder 21 sowie eine zweite Bimetallfeder 22. Die beiden Bimetallfedern 21 und 22 verlaufen parallel zueinander senkrecht zu der Zeichenebene der 2. In der Frontansicht der 2 sind die beiden vorderen, freien Enden der Bimetallfedern 21 und 22 zu erkennen.
-
Die obere Bimetallfeder 21 ist sowohl mit dem ersten Außenanschluss 11 als auch mit dem zweiten Außenanschluss 12 verbunden, so dass ein durch die Schalteinheit 10 fließender Strom die obere Bimetallfeder 21 durchströmt und dort in Abhängigkeit von dem Widerstandswert der Bimetallfeder, der durch die Teilwiderstände 15 und 16 symbolisiert ist, zu einer Erwärmung führt, die schließlich zu einem Öffnen der Schalteinheit 10 beiträgt.
-
Die untere Bimetallfeder 22 ist permanent mit dem dritten Außenanschluss 13 verbunden.
-
An der oberen Bimetallfeder 21 ist ein Schaltkontakt 23 in Form eines sich quer in 2 erstreckenden Kontaktsteges vorgesehen.
-
Dem Schaltkontakt 23 zugeordnet ist auf der unteren Bimetallfeder 22 ein zweiter Schaltkontakt 24 in Form eines Kontaktsteges vorgesehen, der sich quer zu dem Kontaktsteg des Schaltkontaktes 23, also senkrecht zu der Zeichenebene der 2 erstreckt.
-
Auf diese Weise gibt es zwischen den beiden Schaltkontakten 23 und 24 eine punktförmige Anlage, wenn die beiden Bimetallfedern 21 und 22 aufeinander liegen, weil das Schaltwerk 18 geschlossen ist.
-
Die beiden Bimetallfedern 21, 22 sind gleichsinnig geprägt und so angeordnet und mechanisch justiert, dass sie sich bei Veränderung der Umgebungstemperatur in dieselbe Richtung biegen. Bei Erhöhung der Umgebungstemperatur bewegen sich beispielsweise beide Bimetallfedern in Richtung des Pfeiles 25 nach oben.
-
Unabhängig von der Außentemperatur bleibt das Schaltwerk 18 also geschlossen. Dies gilt für einen großen Temperaturbereich von etwa –25°C bis etwa +150°C. Bei dem temperaturbedingten Verschwenken der beiden Bimetallfedern 21, 22 in oder gegen die Richtung des Pfeiles 25 verschiebt sich der obere Kontaktsteg 23 auf dem unteren Kontaktsteg 24, so dass die punktförmige Anlage erhalten bleibt.
-
Fließt jetzt ein Strom durch die obere Bimetallfeder 21, so heizt sich lediglich diese stärker auf, denn der Stromfluss durch die zweite Bimetallfeder 22 ist gering, weil der dritte Außenanschluss 13 in noch zu zeigender Weise dazu verwendet wird, den hochohmigen Eingang eines Halbleiterschalters zu steuern.
-
Sobald die in der Bimetallfeder 21 entwickelte Wärmemenge ausreicht, um die Bimetallfeder 21 auf ihre Ansprechtemperatur aufzuheizen, öffnet sich das Schaltwerk 18 schlagartig, wobei die obere Bimetallfeder 21 sich weiter in Richtung des Pfeiles 25 bewegt.
-
Die Ansprechtemperatur der Bimetallfeder 21 liegt dabei oberhalb des Temperaturbereiches, in dem das Schaltwerk 18 geschlossenen bleibt, also oberhalb von 150°C.
-
Bei einem gegebenen Strom durch die Bimetallfeder 21 hängt es somit von dem Widerstandswert der Widerstände 15 und 16 sowie von der Zeitdauer ab, in der der Strom durch die Bimetallfeder 21 fließt, bis das Schaltwerk 18 öffnet.
-
In 3 ist eine Schaltungsanordnung 26 für eine Motorsteuerung 30 gezeigt, wobei in der Schaltungsanordnung 26 die Schalteinheit 10 aus den 1 und 2 verbaut ist.
-
In 3 ist eine Versorgungswechselspannung 27 gezeigt, die mit einer Hauptwicklung 28 eines ansonsten nicht gezeigten Pumpenmotors verbunden ist. Parallel zu der Hauptwicklung 28 ist eine Hilfswicklung 29 des Motors gezeigt, die in Reihe zu einem elektrischen Schalter 31 liegt, der im vorgegebenen Fall ein TRIAC ist, also im Prinzip ein Schalter mit Antiparallelschaltung von zwei Thyristoren, aber mit nur einem Steueranschluss.
-
Der TRIAC 31 ist mit seiner ersten Anode 32 mit der Hilfswicklung 29 und mit seiner zweiten Anode 33 mit der Versorgungswechselspannung 27 verbunden.
-
Der TRIAC 31 weist ferner einen hochohmigen Steuereingang in Form eines Gates 34 auf, das mit dem dritten Außenanschluss 13 der Schalteinheit 10 verbunden ist.
-
An die Hauptwicklung 28 ist eine Versorgungswicklung 35 angekoppelt, die mit dem ersten und dem zweiten Außenanschluss 11 und 12 der Schalteinheit 10 verbunden ist. Parallel zu der Versorgungswicklung 35 ist ein Trimmwiderstand 36 vorgesehen, der somit auch parallel zu der Widerstandsanordnung 14 aus erstem Teilwiderstand 15 und zweitem Teilwiderstand 16 liegt.
-
Die Schalteinheit 10, der TRIAC 31 und der Trimmwiderstand 36 bilden so die Schaltungsanordnung 26, die mit den Wicklungen 28, 29, 35 zu der Motorsteuerung 30 verschaltet ist.
-
Wenn die Versorgungswechselspannung 27 nun eingeschaltet wird, so ist der TRIAC 31 zunächst durchgeschaltet, so dass durch die Hauptwicklung 28 ein Strom 37 und durch die Hilfswicklung 29 ein Strom 38 fließt.
-
Der Wechselstrom 37 erregt die Hauptwicklung 28 und koppelt damit Energie in die Versorgungswicklung 35 ein, was wiederum zum Fließen eines Steuerstromes 39 durch die Widerstandsanordnung 14 führt.
-
Zunächst ist das Schaltwerk 18 noch geschlossen, so dass der Gateanschluss 34 über die Widerstände 19 und 15 mit der Versorgungswechselspannung 27 verbunden ist und der TRIAC 31 durchgeschaltet ist, so dass der Strom 38 fließen kann und die Hilfswicklung 29 erregt wird.
-
Erhöhter und längerer Stromfluss durch die Hauptwicklung 38 führt nun zu einem erhöhten und längerem Steuerstrom 39 durch die Widerstandsanordnung 14, was schließlich dazu führt, dass das Schaltwerk 18 öffnet und das Gate 34 potentialfrei geschaltet wird, so dass der TRIAC 31 öffnet und der Strom 38 durch die Hilfswicklung 29 unterbrochen wird.
-
Wie bereits geschildert, hängt die Ansprechzeit des Schaltwerks 18, also die Zeit, die nach dem Einschalten der Versorgungswechselspannung 27 vergeht, bis das Schaltwerk 18 öffnet, von der Höhe und der Zeitdauer des Stromes 37 ab, der über das Transformationsverhältnis der Hauptwicklung 28 zu der Versorgungswicklung 35 den Steuerstrom 39 bestimmt.
-
Ferner hängt diese Ansprechzeit davon ab, wie groß der Widerstandswert der Widerstandsanordnung 14 ist. Durch die oben beschriebene Anordnung der beiden Bimetallfedern 21, 22 ist der Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Ansprechzeit vernachlässigbar.
-
Für unterschiedliche Motoren, also unterschiedliche Hauptwicklungen 28 und Hilfswicklungen 29 werden nun unterschiedliche Ansprechzeiten benötigt. Um nicht jedes Mal eine neue Schalteinheit 10 einsetzen zu müssen, enthält die Schaltungsanordnung 26 den Trimmwiderstand 36, über den die Ansprechzeit verlängert werden kann. Die kürzeste Ansprechzeit ist durch den Widerstandswert der Reihenschaltung der Widerstände 15 und 16 gegeben.
-
Über den Trimmwiderstand 36 lassen sich nun aber nicht nur unterschiedliche Hauptwicklungen 28 und Hilfswicklungen 29 betreiben, über den Trimmwiderstand können auch konstruktionsbedingte und fertigungsbedingte Schwankungen in den Widerstandswerten der Teilwiderstände 15 und 16 kompensiert werden.
-
Es ist lediglich erforderlich, bei der Fertigung der Schalteinheit 10 dafür zu sorgen, dass der Widerstandswert der Widerstände 15 und 16 so gering ist, dass er zu einer Ansprechzeit führt, die nicht größer ist als die gewünschte minimale Ansprechzeit. Durch Parallelschaltung des Trimmwiderstandes 26 kann diese Ansprechzeit dann so weit verlängert werden, wie dies für den jeweiligen Anwendungsfall erforderlich ist.
-
Ist der Motor beispielsweise in einer Tauchpumpe montiert, die aus einem tiefen Brunnen Wasser fördern soll, so soll der Motor schnell anlaufen, wozu er in den ersten wenigen hundert Millisekunden nach dem Einschalten der Versorgungswechselspannung 27 zusätzlich über die Hilfswicklung 29 betrieben wird.
-
Um jedoch ein Überhitzen des Motors zu verhindern, soll die Hilfswicklung 29 relativ schnell wieder abgeschaltet werden. Je höher der Strom 37 durch den Motor ist, desto schneller heizt der Motor sich auf, und desto früher muss die Hilfswicklung 29 abgeschaltet werden. Mit anderen Worten, bei höheren Strömen werden kürzere Ansprechzeiten für das Schaltwerk 18 benötigt, um den Motor zu schützen.
-
Andererseits darf eine Änderung der Umgebungstemperatur nicht dazu führen, dass das Schaltwerk 18 unbeabsichtigt oder zu früh öffnet.
-
Damit ergibt sich ein komplexes Kennfeld, aus dem ablesbar ist, bei welchen Strömen 37, 38 welche Ansprechzeit für das Abschalten der Hilfswicklung 29 erforderlich ist.
-
Dieses komplexe Kennfeld kann jetzt auf überraschend einfache Weise durch die Schalteinheit 10 mit dem parallel geschalteten Trimmwiderstand 36 sowie dem angesteuerten TRIAC 31 abgebildet werden.
-
Diese Abbildung ist deshalb möglich, weil das temperaturabhängige Schaltwerk 18 gerade nicht in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur sondern nur in Abhängigkeit von dem Stromfluss öffnet, wobei der Einfluss des Stromflusses durch den Trimmwiderstand 36 nachjustiert werden kann.
-
Dieses Verhalten ist in den Diagrammen 41 und 46 aus den 4 und 5 zu erkennen.
-
Das Diagramm 41 in 4 zeigt mit der Kurve 42 die Abhängigkeit der Ansprechzeit t von der Stärke des Stromes I 37. Je höher die Stärke des Stromes 37 ist, desto geringer ist die Ansprechzeit t.
-
Das Diagramm 46 der 5 zeigt mit der Kurve 47 die Abhängigkeit der Ansprechzeit t von dem Widerstandswert des Trimmwiderstandes 36. Je größer der Widerstandswert des Trimmwiderstandes 36 wird, umso mehr nähert sich die Ansprechzeit t der durch die gestrichelte Linie 48 angedeuteten Ansprechzeit t, die durch die Widerstandsanordnung 14 alleine vorgegeben ist.
-
Mit anderen Worten, durch entsprechende Wahl des Trimmwiderstandes 36 kann die Ansprechzeit t verlängert aber nicht verkürzt werden.
-
In den 6 bis 9 ist jetzt ein konkretes Ausführungsbeispiel für die Schalteinheit 10 in verschiedenen Abschnitten der Montage dargestellt.
-
Gemäß 6 weist die Schalteinheit 10 einen Trägerklotz 51 aus Kunststoff auf, in dem zwei Montageschlitze 52 und 53 vorgesehen sind, wobei der untere Montageschlitz 53 von zwei Wangen 54 und 55 seitlich begrenzt ist.
-
Vor dem Trägerklotz 51 ist in 6 die aus 2 bekannte untere Bimetallfeder 22 vorgesehen, die an ihrem vorderen freien Ende 56 eine Sicke 57 aufweist, an der in 6 nach oben weisend ein Kontaktsteg vorgesehen ist, der den Schaltkontakt 24 bildet.
-
An ihrem hinteren Ende 58 ist die Bimetallfeder 22 mechanisch mit einem metallischen, also elektrisch leitenden Anschlussstück 59 verbunden, an dem eine abgewinkelte Lasche 61 vorgesehen ist, die als dritter Außenanschluss 13 dient.
-
Die Kombination aus Bimetallfeder 22 und Anschlussstück 59 wird jetzt in den Montageschlitz 53 hineingeschoben, wie es in der 7 dargestellt ist.
-
In dem Montageschlitz 53 werden Bimetallfeder 22 und Anschlussstück 59 einerseits fest gehalten, andererseits auch miteinander in Anlage gehalten.
-
In 7 ist jetzt vor dem Trägerklotz 51 die bereits aus 2 bekannte obere Bimetallfeder 21 gezeigt, die an ihrem vorderen freien Ende 62 ein Verbindungsstück 63 trägt, an dem eine Sicke vorgesehen ist, die als Kontaktsteg den Schaltkontakt 23 trägt.
-
Die Bimetallfeder 21 umfasst ferner zwei parallele Stege 64 und 65, die über das Verbindungsstück 63 miteinander verbunden sind.
-
Die Bimetallfeder 21 ist ebenfalls mechanisch an einem metallischen, also elektrisch leitenden Anschlussstück 66 gehalten, das zwei parallele Stege 67 und 68 aufweist, an denen jeweils der Steg 65 bzw. 64 der Bimetallfeder 21 festgelegt ist.
-
Die beiden Stege 67 und 68 des Anschlussstücks 66 sind über ein Verbindungsteil 69 miteinander verbunden, das lediglich der Montage an dem Trägerklotz 51 dient und danach abgetrennt wird.
-
An dem Anschlussstück 66 sind zwei Bügel 71 und 72 zu erkennen, die als Anschlag für die Bimetallfeder 21 dienen, wenn sie sich in den Figuren nach oben bewegt.
-
Jeder der beiden Stege 67 und 68 ist mit einer abgewinkelten Lasche 73 bzw. 74 versehen, die als Außenanschluss 11 bzw. 12 dienen.
-
Genau wie das Anschlussstück 59 ist auch das Anschlussstück 66 einstückig ausgebildet und über nicht gezeigte Maßnahmen fest und elektrisch leitend mit der jeweiligen Bimetallfeder 21 bzw. 22 verbunden.
-
Die Anordnung aus Bimetallfeder 21 und Anschlussstück 66 wird jetzt in den oberen Montageschlitz 52 eingeführt, so dass das Verbindungsteil 69 hinten aus dem Trägerklotz 51 wieder herausschaut, wie dies in 8 zu erkennen ist.
-
Anschließend wird das Verbindungsteil 69 entfernt, so dass die beiden Stege 67 und 68 elektrisch nur noch über das Verbindungsstück 63 der Bimetallfeder 21 miteinander verbunden sind. Diese Situation ist in der perspektivischen Ansicht von unten der 9 gezeigt.
-
Insbesondere aus den 8 und 9 ist zu erkennen, dass die beiden Bimetallfedern 21 und 22 mit ihren freien Enden so angeordnet sind, dass die Kontaktstege 23 und 24 kreuzend übereinander angeordnet sind und sich punktförmig berühren, wenn kein Strom durch die obere Bimetallfeder 21 fließt, so dass sich die Bimetallfedern 21 und 22 in den in 8 und 9 gezeigten Zuständen befinden.
-
Verändert sich die Umgebungstemperatur der Schalteinheit 10, so bewegen sich beide Bimetallfedern 21, 22 mit ihren vorderen Enden nach oben oder unten, so dass die Kontaktstege 23, 24 in Anlage miteinander bleiben sich aber ggf. gegeneinander verschieben. Dies wird durch geeignete Prägung und mechanische Auslegung und Biegung der Bimetallfedern 21, 22, also durch mechanische Justierung erreicht.
-
Wie Bimetallfedern geprägt und mechanisch justiert werden müssen, damit sie ein bestimmtes Bewegungsverhalten bei Temperaturänderungen zeigen, ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt.
-
Die Schalteinheit 10 ist so ausgelegt, dass sie bei Temperaturänderungen in einem Temperaturbereich von über 100°C geschlossen bleibt.
-
Die Konstruktion ist dabei so getroffen, dass bei entsprechender externer Beschaltung Strom von der ersten Anschlusslasche 43 über den Steg 68 in den Steg 64, von dort durch das Verbindungsstück 63 in den Steg 65, dann in den Steg 67 und von dort zu der Anschlusslasche 74 geleitet wird.
-
Die Widerstände der einzelnen Teile sowie die Übergangswiderstände sind in 1 durch die Teilwiderstände 15 bzw. 16 symbolisiert.
-
Der Stromfluss führt nun gemäß der prinzipiellen Abhängigkeit aus Diagramm 41 nach einer vorgegebenen Ansprechzeit t dazu, dass sich die Bimetallfeder 21 aufheizt und das Schaltwerk 18 sich öffnet. Ist die Ansprechzeit t zu klein, kann sie durch Wahl des Trimmwiderstandes 36 verlängert werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
