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Bimetallrelais mit erhöhter Ansprechempfindlichkeit Die Erfindung
bezieht sich auf ein Bimetallrelais, dem zur Erhöhung seiner Ansprechempfindlichkeit
ein nichtlinearer Widerstand vorgeschaltet ist. Bei bekannten Relais dieserArt sind
im Versorgungsstromkreis Stromleiter vorgesehen, die sich mit zunehmendem Strom
erwärmen und dann einen niedrigeren e]ektrischen Widerstand haben als bei niedrigeren
Temperaturen. Für diese Anwendungsfälle ist jedoch die Erzeugung einer zusätzlichen
Wärme durch Vorwiderstände u. dgl. unerwünscht.
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Es wird deshalb zur Vermeidung dieser Nachteile vorgeschlagen, als
nichtlinearen Widerstand in den Heizstrom des Bimetallrelais eine Halbleiterdiode
einzuschalten und dabei von der an sich bekannten Eigenschaft der Halbleitergleichrichter
Gebrauch zu machen, die darin besteht, daß diese nur einen sehr geringen Strom führen,
solange die an ihren Elektroden wirksame Spannung kleiner als etwa 0,5 V ist, dagegen
beim Überschreiten dieser Spannungswerte einen stark erhöhten Strom zu führen vermögen.
Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, als nichtlinearen Widerstand eine
in Sperrichtung gepolte Zenerdiode vorzusehen.
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Soll mit dem Bimetallrelais der Spannungsabfall an einem Gleichstromverbraucher
oder die Klemmenspannung einer GleichspannungsqueUe überwacht werden, so ist der
nichtlineare Halbleiterwiderstand in Serie mit dem Bimetal]relais zu schalten.
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Soll die Schaltzeit des Bimetallrelais bei geringen Überspannungen
verkürzt werden, so ist ein Halbleiterwiderstand zu wählen, dessen Widerstand sich
in Abhängigkeit von der Spannung nach einer Exponentialfunktion mit einem Exponenten
> 1 ändert.
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Derartige Kennlinien weisen beispielsweise Germanium-oder Siliziumgleichrichter
auf, die einen p-n-Übergang enthalten.
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Der Erfindungsgedanke läßt sich aber auch bei einem Bimetallrelais
anwenden, das den Stromfluß durch einen Verbraucher überwachen soll. In diesem Fall
wird die Heizwicklung des Bimetalirelais in den Verbraucherstromkreis eingeschle-ft.
Um den Erfindungsgedanken zu verwirklichen, ist dann der nichtlineare Haibleiterwiderstand
parallel zur Heizwicklung zu schalten.
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Soll bei einem derartigen Überstromschutzrelais die Schaltzeit verkürzt
werden, so ist ein Haibleiterwiderstand zu wählen, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit
vom Strom nach einer Exponentialfunktion mit einem Exponenten < 1 ändert.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des Gegenstandes
der Erfindung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 das Schaltbild eines mit einer Einrichtung
gemäß der Erfindung überwachten elektrischen Andrehmotors fflr eine Brennkraftmaschine,
Fig. 2 Ansprechkurven eines Bimetallrelais, Fig. 3 und 4 Widerstandskennlinien von
Halbleitertterständen für das Beispiel nach Fig. 1,
Fig. 5 als zweites Beispiel das
Schaltbild eines Überstromschutzrelais, Fig. 6 Widerstandskennlinie eines Halbleiterwiderstandes
für das Beispiel nach Fig. 5.
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Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung dient zum Ingangsetzen einer
in der Zeichnung nicht dargestellten Dieselbrennkraftmaschine, die durch einen elektrischen
Andrehmotor angeworfen werden kann, indem dieser zunächst die Maschine bei ausgeschalteter
Verdichtung hochdreht, bis das Maschinenschwungrad so viel Energie aufgenommen hat,
daß es nach dem Umschalten der Maschine auf Verdichtung diese anzuwerfen vermag.
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Wird dagegen der Andrehmotor bei eingeschalteter Verdichtung betätigt,
so ist er nicht in der Lage, die Maschine durchzudrehen. Es besteht also die Gefahr,
daß der Strom in der Feldwicklung des Anlaßmotors auf Werte ansteigt, bei denen
diese Wicklung leidet. Dies soll verhindert werden.
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Die Andreheinrichtung nach Fig. t enthält außer einem Sammler 10
einen als Hauptstrommotor ausgebildeten Andrehmotor mit einem umlaufenden Anker
13 und einer Feldwicklung 12, die mit den Arbeitskontakten an1 eines Anlasserschützen
AN in Reihe geschaltet ist. Zur Überwachung des Betriebszustandes des Andrehmotors
ist außerdem eine Einrichtung vorgesehen, die ein Bimetallrelais B, einen Halbleitergleichrichter
21 und ein Abwurfrelais AB umfaßt.
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Der Sammler 10 ist mit seinem Minuspol an Masse angeschlossen, sein
Pluspol liegt am Schaltarm der Arbeitskontakte anl des Anlasserschützes AN. Über
eine Leitung 14, die eine der beiden Bürsten des Ankers 13 mit Masse verbindet,
ist auch je eines der beiden Wicklungsenden des Anlasserschützes AN und des Abwurfrelais
AB mit dem Minuspol des Sammlers 10 verbunden.
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Das andere Wicklungsende des Anlasserschützes AN liegt an dem Ruhekontakt
15 eines Umschalters abl des
Abwurfrelais AB. Der Schaltarm des
Umschalters ab1 kann über einen Druckknopfschalter 17 und eine Leitung 11 mit dem
Pluspol der Batterie 10 verbunden werden, während an dem Arbeitskontakt 16 des Umschalters
ab1 das zweite Wicklungsende des Abwurfrelais AB angeschlossen ist. Von dort führt
eine Leitung 18 zu dem auf einem Bimetallstreifen 19 sitzenden Arbeitskontakt b
eines Bimetallrelais B, dessen Gegenkontakt an dem Schaltarm des Umschalters ab1
angeschlossen ist. Die Heizwicklung 20 des Bimetallrelais B ist in Reihe mit einem
in Durchlaßrichtung gepolten Halbleitergleichrichter 21 parallel zur Feldwicklung
12 geschaltet.
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Wird der Druckknopfschalter 17 geschlossen, so zieht das Anlasserschütz
AN an und schließt den Arbeitskontakt anl. Dann kann aus der Batterie 10 Strom durch
die Feldwicklung 12 und den Anker 13 des Anlaßmotors fließen. Sofern die Brennkraftmaschine
nicht zu viel Widerstand bietet, vermag sie der Andrehmotor hochzudrehen. Durch
die Feldwicklung 13 fließt in diesem Fall ein Normalstrom Jn, der an ihr einen Spannungsabfall
Un hervorruft.
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Setzt dagegen, z. B. bei eingeschalteter Verdichtung, die Brennkraftmaschine
dem Andrehmotor zu viel Widerstand entgegen, so erreicht der den Andrehmotor durchfließende
Strom eine Höhe, die weit über dem Wert seines Normalstromes Jn liegt. Hierdurch
wird ein entsprechend hoher Spannungsabfall an der Feldwicklung 13 hervorgerufen.
Dieser Spannungsabfall dient als Betriebsspannung U für die Serienschaltung aus
der Diode 21 und der Heizwicklung 20 des Bimetallrelais B. Überschreitet die Betriebsspannung
U den Wert Un, so wird der Arbeitskontakt b des Bimetallrelais B nach einer von
der Höhe der Überspannung U-Un abhängigen Zeit geschlossen. Dadurch wird das Abwurfrelais
AB erregt.
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Der Schaltarm des Umschalters abl wird infolgedessen von seinem Ruhekontakt
15 abgehoben und unterbricht den zum Anlasserschütz AN fließenden Strom. Sobald
er mit seinem Arbeitskontakt 16 in Berührung kommt, kann sich das Abwurfrelais A
B selbst halten, solange der Druckknopfschalter 17 geschlossen bleibt. Beim Abfall
des Anlasserschützes AN öffnet der Arbeitskontakt anl und unterbricht die Verbindung
zwischen der Batterie 10 und dem zu überwachenden Motor.
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Im folgenden ist der Einfluß des Halbleitergleichrichters auf die
Schaltzeit des Bimetallrelais näher erläutern.
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Die Abhängigkeit der Schaltzeit t eines Bimetallrelais von der Höhe
der Betriebsspannung U wird durch die Gleichung tut = T U (1) t --r Ü21 wiedergegeben,
wobei Ü = U ist und U0 denjenigen Uo Mindestwert der Betriebsspannung angibt, bei
dem das Relais anzusprechen beginnt. t bedeutet diejenige kürzeste Schaltzeit, die
das Relais zum Schließen des Arbeitskontaktes benötigen würde, wenn eine unendlich
hohe Spannung an der Heizwicklung des Relais läge.
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Die Gleichung (1) ist in Fig. 2 als Kurve 22 dargestellt.
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Der in Reihe mit der Heizwicklung geschaltete Halbleitergleichrichter
21 hat im Durchlaßbereich einen Widerstand, der mit zunehmender Spannung kleiner
wird, wie seine quadratische, in Fig. 3 angedeutete Strom-Spannungs-Kennlinie zeigt.
Mit dieser Kennlinie ergibt die Ansprechkurve 23 in Fig. 2 für die Reihenschaltung
aus Gleichrichter und Relais. Aus dieser Ansprechkurve läßt sich ersehen, daß für
eine bestimmte Schaltzeit das Verhältnis der erforderlichen Betriebs-
spannung zu
dem Mindestwert U0 der Betriebsspannung, bei dem das Relais anspricht, kleiner geworden
ist als bei einem Relais ohne vorgeschalteten Gleichrichter.
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Schaltet man an Stelle des Halbleitergleichrichters 21 nach Fig.
1 eine Zenerdiode, die in Sperrichtung gepolt ist, in Reihe mit der Heizwicklung
des Bimetallrelais, so ergibt sich die Ansprechkurve 24 in Fig.2. Die Strom-Spannungs-Kennlinie
der Zenerdiode ist in Fig. 4 dargestellt. Sie zeigt, daß die Zenerdiode praktisch
erst dann leitend wird, wenn die an ihr anliegende Spannung einen bestimmten Wert,
nämlich die Zenerspannung, überschreitet, und daß bei weiterer Steigerung des sie
durchfließenden Stromes der Spannungsabfall an ihr konstant bleibt.
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Der Ansprechkurve 24 liegt eine Zenerdiode zugrunde, deren Zenerspannung
so groß ist wie die Mindestspannung, die direkt über der Heizwicklung des Bimetallrelais
abfallen muß, damit das Relais gerade anspricht. Die Ansprechkurve 24 in Fig. 2
zeigt, daß für eine bestimmte Schaltzeit die Überspannung im Verhältnis zum Mindestwert
U0 der Betriebsspannung an der Reihenschaltung, bei dem das Relais gerade anspricht,
nur mehr halb so groß ist wie bei dem Relais ohne vorgeschalteten Halbleiterwiderstand.
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Die stärkere Krümmung der Ansprechkurve eines Bimetallrelais durch
das Vorschalten eines Halbleiterwiderstandes, d. h. also kürzere Schaltzeiten bei
dem gleichen Verhältnis von Überspannung zum Mindestwert U0 der Betriebsspannung,
bei dem das Relais gerade anspricht, wird dadurch erreicht, daß mit wachsender Betriebsspannung
ein immer geringerer Anteil davon an dem Halbleiterwiderstand abfällt.
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Während das Bimetallrelais nach Fig. 1 den Strom durch die Feldspule
des Gleichstrommotors auf Grund des Spannungsabfalls an der Feldspule überwacht
und somit spannungsabhängig ist, zeigt Fig. 5 eine stromabhängige Einrichtung, in
der der einem Verbraucher 25 zugeführte Strom auch die Heizwicklung des Bimetallrelais
durchfließt.
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Soweit die Einrichtung nach Fig. 5 gleiche oder gleichwirkende Teile
wie die Einrichtung nach Fig. 1 enthält, sind diese mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der dem Verbraucher 25 zufließende Strom ist in dieser Schaltung über die Leitung
11, den Arbeitskontakt anl, die Parallelschaltung aus Heizwicklung 20 des Bimetallrelais
B und Transistornetzwerk 26 geführt und kehrt vom Verbraucher 25 über die Leitung
14 zur Batterie 10 zurück. Die übrige Schaltung entspricht in ihren Einzelheiten
und ihrer Funktion der Schaltung in Fig. 1.
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Die Abhängigkeit der Schaltzeit t des Bimetallrelais von dem durchfließenden
Strom folgt derselben Gleichung (1) wie die Abhängigkeit der Schaltzeit t von der
anliegenden Spannung, da ja U - JR J -Ü Uo Jo R Jo ist, wobei R der Widerstand der
Heizwicklung ist, d. h. aber, daß die Kurve 22 in Fig. 2 auch die Stromabhängigkeit
der Schaltzeit darstellt, wenn auf der Abszisse das Stromverhältnis J an Stelle
des Spannungsverhält-Jo U nisses U aufgetragen wird.
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Während bei dem spannungsabhängigen Bimetallrelais nach Fig. 1 eine
steilerer Abfall der Ansprechkurve dadurch bewirkt wird, daß mit wachsender Spannung
ein immer geringerer Anteil der Betriebsspannung an der vorgeschalteten Diode abfällt,
ist beim stromabhängigen Bimetallrelais nach Fig. 5 ein steiler Abfall der Ansprechkurve
dadurch
erreicht, daß der Heizwicklung 20 ein Widerstand parallel geschaltet ist, der mit
wachsendem Strom einen immer geringeren Anteil des Betriebsstromes übernimmt. Diese
Aufgabe erfüllt das bei 26 angedeutete Transistornetzwerk. Es enthält einen p-n-p-Transistor
27, der mit einem Emitterwiderstand 28 und einem Kollektorwiderstand 29 in Reihe
geschaltet ist. Die Basis des Transistors liegt an dem Abgriff eines Spannungsteilers,
der aus einer in Durchlaßrichtung gepolten Germaniumdiode 30 und einem Widerstand
31 gebildet wird und parallel zur Reihenschaltung aus Emitterwiderstand, Transistor
und Kollektorwiderstand liegt. Solange nur ein geringer Strom über das Transistornetzwerk
fließt, ist der Spannungsabfall an der Diode 30 größer als am Emitterwiderstand
28, d. h., die Basis ist gegenüber dem Emitter negativ vorgespannt. Der Transistor
ist also voll stromleitend. Mit wachsendem Strom nimmt der Spannungsabfall am Emitterwiderstand
zu, während er an der Diode ungefähr konstant bleibt. Dadurch nimmt die Vorspannung
der Basis ab, und der Transistor wird immer mehr gesperrt. Das Transistornetzwerk
hat daher die in Fig. 6 dargestellte Kennlinie.
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Durch die Wahl einer geeigneten Diode und eines geeigneten Emitterwiderstandes
kann man in gewissen
Grenzen ein Transistornetzwerk mit einer gewünschten Kennlinie
aufbauen und dadurch eine bestimmte stärkere Krümmung der Ansprechkurve des Bimetallrelais
erreichen.
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PATENTANSPROCHE: 1. Einrichtung zur Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit
eines Bimetallrelais mit einem dem Relais vorgeschalteten nichtlinearen Widerstand,
dadurch gekennzeichnet, daß als nichtlinearer Widerstand in den Heizstromkreis des
Bimetallrelais eine Halbleiterdiode eingeschaltet ist.