DE1083396B - Eigensichere Anordnung zum Steuern eines elektromagnetischen Schalters ueber einen Transistor - Google Patents

Description

In explosionsgefährdeten Betrieben müssen alle Anlagen zur elektrischen Signalgabe und Auslösung von Schaltaufträgen so ausgeführt sein, daß keine Funken auftreten, die die Zündung von Explosionen verursachen könnten. So hat man im Bergbau wegen der Schlagwettergefahr sämtliche elektrischen Schalt- und Signalgeräte, ζ. Β. Fertigsignalgeber, Fernsprechapparate usw., schlagwettergeschützt ausgeführt. Es genügt aber nicht, wenn die betreffenden Geräte selbst schlagwettergeschützt ausgebildet sind, sondern auch die Zuführungsleitungen oder Steuer leitungen, die ja ebenfalls durch explosionsgefährdete Räume führen, müssen so ausgebildet sein, daß durch sie keine Zündung von Explosionen hervorgerufen werden kann. Diese Gefahr wurde durch die Verwendung geschützter Kabel verringert, doch wurden dadurch die Anlagen teuer und verhältnismäßig schwerfällig. Für ortsfeste Anlagen war dies noch tragbar, doch für solche Anlagen, bei denen entweder die gesamte Anlage oder wenigstens ihre Steuerleitungen ortsveränderlich sein müssen, erwies sich diese Ausbildung als schwerwiegender Nachteil. Man suchte daher diesen Nachteil zu vermeiden und fand Lösungen, bei denen die Geräte selbst zwar geschützt ausgebildet oder an einem explosionsgeschützten Ort untergebracht sind, bei denen aber die Steuerleitungen nur mit solchen Spannungen bzw. Strömen betrieben werden, daß bei Unterbrechen oder Kurzschließen der Leitungsadern keine zündfähigen Funken entstehen können.

Bei einer derartigen sogenannten eigensicheren Ausbildung der Anlage, wo also für die Steuerleitungen wegen der geringen Spannungen und Ströme die Verwendung ungeschützter Leitungen zulässig ist, ohne mit der Gefahr rechnen zu müssen, daß durch Funken Explosionen gezündet werden, ist es zwar möglich, mit den geringen auf der Steuerleitung zulässigen Spannungen bzw. Strömen direkt Relais zu steuern, doch sind hierzu sehr empfindliche Relais erforderlich. Diese Relais sind aber wiederum gegen Stöße empfindlich und garantieren daher kein einwandfreies Schalten. Außerdem weisen sie eine verhältnismäßig große Zeitkonstante auf, und die Kabelkapazität muß berücksichtigt werden, so daß die maximale Leitungslänge begrenzt ist.

Eine bekannte Signaleinrichtung für Bergwerke enthält eine als Audion und Mittelfrequenz-Oszillator geschaltete Röhre. Der am Gitter dieser Röhre leitende Schwingungskreis ist mit einer durch die explosionsgefährdeten Räume führenden Signalleitung so verbunden, daß durch Kurzschließen der Leitung die Röhre zum Schwingen gebracht und über einen Verstärker in einem Lautsprecher ein Pfeifen hervorgerufen wird. Man hat auch schon vorgeschlagen, statt Eigensichere Anordnung

zum Steuern eines elektromagnetischen Schalters über einen Transistor

Anmelder:
Standard Elektrik Lorenz

Aktiengesellschaft,

Stuttgart-Zuffenhausen,

Hellmuth-Hirth-Str. 42

Walter Riemer, Düsseldorf,
ist als Erfinder genannt worden

des Lautsprechers im Anodenstromkreis der Röhrenschaltung ein Relais zu erregen und dadurch ein Anrufsignal zu erzeugen oder einen Schaltvorgang auszulösen. Die in der Signalleitung auftretenden Ströme bzw. Spannungen sind dabei so gering, daß eventuell entstehende Funken zur Zündung von Explosionen nicht ausreichen. In einer bekannten Anlage wird als Signalleitung die Sprechleitung einer batterielosen Fernsprechanlage benutzt und das anrufende Signal nicht durch direktes Kurzschließen, sondern durch Einschalten des niederohtnigen Hörers der batterielosen Fernsprechanlage in die Leitung hervorgerufen. Es sind auch Anlagen bekannt, bei denen die Röhrenschaltungen mit Stromtoren ausgerüstet sind. Bei allen derartigen Anlagen wird an der die Signale entgegennehmenden Stelle eine Röhrenschaltung benötigt, die verhältnismäßig empfindlich ist und laufend auf Betriebsbereitschaft überwacht werden muß. Außerdem sind bei den als Stromtore verwendeten Ionenröhren hohe Steuerspannungen erforderlich. Aufgabe der Erfindung war es, diese Nachteile zu vermeiden und eine möglichst einfache und betriebssichere eigensichere Anordnung zum Steuern eines elektromagnetischen Schalters über einen Transistor zu schaffen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Steuerspannung des Transistors von einem Spannungsteiler abgenommen wird, der im Zuge des von dem Steuerstrom durchflossenen Steuerwiderstandes und des die Steuerleitungen enthaltenden Stromkreises liegt, und daß die Spannungsteilerwiderstände so bemessen sind, daß die Stromstärken im Emitter-Basis-Stromkreis und in den eigensicheren Steuerleitungen die zulässigen Höchstwerte nicht überschreiten.

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Das Wesen der Erfindung liegt nicht allein in der Verwendung von Kristalltrioden, die gegenüber, den Röhren eine wesentlich geringe Stromversorgung benötigen und außerdem baulich Meiner sind, sondern in der Art der Anschaltung der Steuerleitung, durch die ein sicheres Arbeiten bei großer Ansprechempfindlichkeit gewährleistet ist. Der Gedanke, eine an sich bekannte Röhrenschaltung einfach durch eine entsprechende Schaltung mit Transistoren zu ersetzen und die Steuerung des Transistors durch Änderung des im Basis-Emitter-Kreis fließenden Stromes vorzunehmen, ist nicht völlig''¥efriedigend, denn es muß stets im Basiskreis ein so-großer Widerstand eingeschaltet sein, daß die Steuerleitung, die ja in diesem Kreis enthalten sein soll, eigensicher ist. Dann bleibt aber kein großer Spielraum mehr für die in die Steuerleitung einzufügenden Widerstände, durch deren Zu- oder Abschalten die Schaltvorgänge bzw. Signale ausgelöst werden sollen. Ferner kann sich durch die Temperaturabhängigkeit des Transistors das Widerstandsverhältnis—im Steuerstromkreis so verändern, daß der Transistor ohne eine besondere Schaltmaßnahme allein durch erhöhte Temperatur leitend wird und es daher zu Fehlschaltungen kommt. Diese Nachteile, die die Sicherheit einer solchen Anlage überhaupt in Frage stellen, werden durch die Erfindung vermieden.

An Hand der Zeichnung sei die Erfindung erläutert.

Fig. 1 zeigt die prinzipielle Anordnung des Schaltgerätes, während in

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit zwei stufenförmig angeordneten Kristalltrioden dargestellt ist.

In der Fig. 1 ist T ein Transistor in Emitterschaltung. Die Stromversorgung ist nicht gezeigt, sondern nur durch die Klemmen 1, 2, 3 und 4 angedeutet. An der Klemme 1 liegt das Potential Null, während an der Klemme 2 ein positives und an den Klemmen 3 und 4 ein negatives Potential gegenüber der Klemme 1 angelegt ist. Die Stromversorgung kann beispielsweise aus dem Netz erfolgen und die erforderlichen Gleichspannungen durch Gleichrichtung und Glättung gewonnen werden. An den Klemmen α und b ist die Steuerleitung L angeschlossen. In die Steuerleitung ist ein veränderlicher Widerstand Ra eingefügt, der andeuten soll, daß durch Einschalten verschieden großer Widerstände in die Steuerleitung Signale bzw. Schaltvorgänge ausgelöst werden.

Es sei zunächst der Extremfall angenommen, daß der Schaltwiderstand Ra einen unendlichen Wert hat, d. h. die Steuerleitung L offen ist. Dann ist die Basis des Transistors T über den Widerstand Wl durch die an der Klemme 4 angelegte negative Spannung gegenüber dem Emitter des Transistors negativ vorgespannt. Durch den fließenden Basisstrom wird auch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors leitend, und das in diesem Kreis liegende Relais R wird erregt. In nicht näher dargestellter Weise wird dieses Relais R dazu benutzt, Signaleinrichtungen optischer oder akustischer Art einzuschalten oder andere Schaltvorgänge auszulösen.

Im anderen Extremfall, d. h. wenn der Schaltwiderstand Ra Null wird, also bei kurzgeschlossener Steuerleitung L, verschiebt sich durch das an der Klemme 2 angelegte positive Potential über den Widerstand W2 die Basisvorspannung des Transistors in positiver Richtung. Der Emitter-Basis-Kreis des Transistors sperrt daher, und wegen des fehlenden bzw. wesentlich kleiner gewordenen Basisstromes wird auch der Kollektorstrom des Transistors unterdrückt. Das Relais R kommt daher wieder zum Abfallen. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Anordnung so auszubilden, daß der in der Steuerleitung L liegende Schaltwiderstand Ra nicht die Extremwerte unendlich bzw. Null, sondern vorbestimmte Mittelwerte besitzt. Auf jeden Fall wird durch das Zu- oder Abschalten größerer oder kleinerer Widerstände Ra in der Steuerleitung das Potential an der Basis des Transistors verschoben und der Basisstrom beeinflußt. Durch geeignete Wahl der

ίο Betriebsspannungen sowie der Werte des aus den Widerständen Wl, W2 gebildeten Spannungsteilers und der Schaltwiderstände Ra läßt sich der Arbeitsbereich des Gerätes in weiten Grenzen einstellen.
Da die Widerstände Wl und W2 hochohmig sind,

wird einerseits der Basisstrom des Transistors so begrenzt, daß er keine unzulässigen Werte annehmen kann, und andererseits wird der Strom in der Steuerleitung L durch sie so niedrig gehalten, daß bei Kurzschluß der Leitung keine unzulässig hohen Ströme auftreten können. Dabei wird auch die Sperrwirkung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors bei positiven Spannungen ausgenutzt. Temperatureinflüsse wirken sich praktisch nicht mehr aus, und die Anordnung ist gegen Schwankungen der Versorgungsspannung unempfindlich.

Für den Fall, daß der Transistor abgetrennt oder zerstört sein sollte, wird der in der Steuerleitung L fließende Strom aus der an den Klemmen 2 und 4 liegenden Spannung und den beiden hochohmigen Widerständen Wl und W2 bestimmt. Sollte andererseits die Basis-Emitter-Strecke des Transistors irgendwie einen Kurzschluß darstellen, so kann auf der Steuerleitung nur ein Strom auftreten, der bestimmt ist durch die zwischen den Klemmen 1 und 2 liegende Spannung und den Widerstand W 2. Da die bei Transistorschaltungen benötigten Spannungen klein sind, kann durch die hochohmigen Widerstände Wl und W2 Strom in der Steuerleitung stets mit Leichtigkeit auf ganz niederen und zündungefährliehen Werten gehalten werden.

In der Fig. 2, die eine Weiterbildung der in der Fig. 1 dargestellten Anordnung zeigt, sind die in Fig. 1 entsprechenden Teile mit gleichen Bezeichnungen versehen. Die Stromversorgung ist wieder an den Klemmen 1, 2 und 3 nur angedeutet. Dabei liegt wiederum an der Klemme 2 positives und an der Klemme 3 negatives Potential gegenüber der Klemme 1. Die Anordnung sieht zwei Stufen von Transistoren Π und Γ2 vor. Das Schaltrelais R liegt im Kollektorstromkreis des Transistors T 2. Die Steuerleitung L und der veränderliche Schaltwiderstand Ra sind wieder an die Klemmen α und b angeschlossen. Der aus den Widerständen Wl und W2 bestehende Spannungsteiler liefert wieder wie in der Fig. 1 die Basisvorspannung des Transistors Tl. Sie ist negativ, und daher fließt ein Basisstrom, der die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors Tl leitend macht. Wird ein niederohmiger Widerstand Ra in die Steuerleitung eingefügt oder die Steuerleitung kurzgeschlossen, so wird durch Verschiebung der Basisvorspannung der Basisstrom unterdrückt und damit die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors Tl gesperrt.

Die Basis des Transistors Γ 2 erhält durch den aus den Widerständen W 3 und PF 4 gebildeten Spannungsteiler eine Vorspannung, die gegenüber der am Emitter liegenden und von den Spannungsteilerwiderständen W 5 und W 6 bestimmten Spannung negativ ist. Wenn nun der Transistor T1 leitend ist, überbrückt seine Emitter-Kollektor-Strecke den Widerstand Wk, so

daß sich das Potential an der Basis des Transistors T 2 in positiver Richtung verlagert und dadurch dieser Transistor sperrt. Wird durch eine Schaltmaßnahme in der Steuerleitung, z. B. durch Einfügen eines niederohmigen Widerstandes Ra in der bereits beschriebenen Weise der Transistor T1 gesperrt, so werden wieder die Widerstände W3 und W^ an der Basis des Transistors T 2 wirksam und dieser Transistor in den leitenden Zustand gebracht. Dadurch spricht das im Kollektorkreis liegende Relais R an und kann Schaltvorgänge auslösen. Temperatureinflüsse sind bei dieser zweistufigen Schaltung durch die einander entgegengesetzte Wirkungsweise der beiden Transistorstufen noch weitergehend ausgeschaltet. DieAnsprechempfindlichkeit ist wesentlich gesteigert und Schwankungen der Versorgungsspannungen sind praktisch ohne Einfluß.

Durch Einstellen des Potentiometers W 5 kann die Ansprechempfindlichkeit des Transistors Tl eingestellt werden. Die Werte der Schaltwiderstände Ra ao können daher in weiten Grenzen schwanken. Andererseits ist es aber auch möglich, die Einstellung so vorzunehmen, daß die für das Ein- bzw. Ausschalten erforderlichen Werte des Widerstandes Ra verhältnismäßig nahe beieinander liegen können. Da aber stets zwei definierte Werte des Schaltwiderstandes für das Ansprechen bzw. Abfallen erforderlich sind, sind die Nachteile, die bei Röhrenschaltungen auftreten, mit Sicherheit vermieden, denn dort liegt der Ansprech- und Abfallwiderstand auf demselben Wert, so daß es bei schwankenden Widerstandswerten, wie sie z. B. bei Übergangswiderständen von Schüttgut auftreten können, zu dauerndem Aus- und Einschalten des Gerätes kommen kann. Dieser Nachteil ist bei der Erfindung völlig vermieden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Eigensichere Anordnung zum Steuern eines elektromagnetischen Schalters über einen Transistor, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung (1 bis 4) des Transistors von einem Spannungsteiler (Wl, W 2) abgenommen wird, der im Zuge des von dem Steuerstrom durchflossenen Steuerwiderstandes (Ra) und des die Steuerleitungen (L) enthaltenden Stromkreises liegt, und daß die Spannungsteilerwiderstände (WI, W2) so bemessen sind, daß die Stromstärken im Emitter-Basis-Stromkreis und in den eigensicheren Steuerleitungen die zuverlässigen Höchstwerte nicht überschreiten.

2. Schalt- und Steuergerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die stufenweise Anordnung von zwei Kristalltrioden (Tl, T2), von denen die erste (T 1) durch auf der Steuerleitung (L) vorgenommene Schaltmaßnahmen gesteuert wird und dabei mit ihrer Emitter-Kollektor-Strecke durch Überbrückung eines der die Basisspannung der zweiten Kristalltriode (T 2) einstellenden Spannungsteilerwiderstände (W4!) die zweite Stufe in einer der ersten Stufe entgegengesetzten Wirkungsweise steuert und damit Schaltvorgänge einleitet.

3. Schalt- und Steuergerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verändern der Basisvorspannung der ersten Kristalltriode (Tl) mittels eines Potentiometers (WS) die Ansprechempfindlichkeit eingestellt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften;
Siegfried Jahn: »Das Relais in der Praxis«, Minden/Westf., 1950.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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