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Anordnung zum funkenlosen Schalten von Relaiskontakten Die Erfindung
bezieht sich auf eine Anordnung zum funkenlosen Schalten von insbesondere hochbelasteten
Kontakten bei Relais. Bekanntlich sind derartige Kontakte einem besonders hohen
Verschleiß unterworfen, da eine mehr oder minder große Materialwanderung auftritt.
Die maximal erreichbare Schaltzahl ist daher gegenüber gering belasteten Kontakten
erheblich kleiner.
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In der Regel werden Kontakte, die betriebsmäßig stark belastet sind,
mit Funkenlöschmitteln versehen. Als Funkenlöschmittel haben sich vor allem Kondensatoren,
Widerstände und Richtleiter eingebürgert, die einzeln oder in Kombination dem Schaltkontakt
oder dem Verbraucher parallel geschaltet werden und die Funkenbildung vermeiden
bzw. erheblich herabsetzen sollen. Auch gegengepolte Richtleiter, die vielfach als
Ableitzellen bezeichnet werden, kommen als Funkenlöschmitte in Frage.
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Eine weitere Möglichkeit, um die bei Schaltvorgängen auftretende Funkenbildung
zu vermeiden, besteht darin, statt eines einfachen Arbeits- oder Ruhekontakts Folgekontakte
vorzusehen, wodurch der Schaltvorgang in zwei Stromschritte unterteilt wird. Beim
Schließen des ersten Kontakts erhält dabei die Relaiswicklung durch einen Vorwiderstand
zuerst nur einen geringen Strom, und damit wird dieser Kontakt auch nur gering belastet.
Erst der zweite Kontakt schaltet den Betriebsstrom ein, wodurch das Relais dann
zum Ansprechen gebracht wird. Beim Abschalten des Relais kommen die beiden Stromschritte
in umgekehrter Reihenfolge zur Wirkung. Es wird also .auch hier zuerst der Strom
auf einen bestimmten Wert herabgesetzt, um dann in der zweiten Schaltphase erst
den Stromkreis zu unterbrechen.
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Wenn auch durch die Verwendung von Folgekontakten die Einzelbelastung
jedes Kontakts herabgesetzt wird und sich damit höhere Gesamtschaltzahlen ohne Wartung
erreichen lassen, so treten doch auch bei jedem Stromschritt Induktionsspannungen
auf, die durch zusätzliche Funkenlöschmittel unterdrückt werden müssen.
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Ein besonderer Nachteil von Relais mit Folgekontakten ist aber darin
zu sehen, daß die Ansprechzeit damit zwangsweise erhöht wird, da beim ersten Stromschritt
noch kein Ansprechen des Relais erfolgt.
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Es ist ferner bereits versucht worden, hochbelastete Kontakte durch
elektronische Bauelemente, insbesondere durch Elektronenröhren, gittergesteuerten,
gasgefüllten Entladungsröhren oder Transistoren zu ersetzen. Ein mit mechanischen
Kontakten vergleichbarer Verschleiß tritt hierbei nämlich nicht auf, es ergibt sich
aber der Nachteil, daß der Restwiderstand derartiger als Schalter betriebener elektronischer
Bauelemente unter einem bestimmten Mindestwert nicht verkleinert werden kann. Dadurch
ist im Verbraucherkreis ein bestimmter Spannungsabfall wirksam, der besonders bei
höheren Strömen vielfach störend in Erscheinung tritt. Der bei einem metallischen
Kontakt wirksame, nur geringe übergangswiderstand ist mit einem derartigen elektronischen
Schaltelement grundsätzlich nicht zu erreichen. Außerdem treten vor allem bei Transistoren
oft dadurch Schwierigkeiten auf, daß bei Dauerbetrieb die thermische Belastung zu
groß wird und diese wegen der auftretenden Übertemperatur zerstört werden.
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Die geschilderten Nachteile werden nach der Erfindung dadurch vermieden,
daß der zu entlastende Nutzkontakt durch den Emitter- und Kollektoranschluß eines
Transistors überbrückt ist und das Relais einen Hilfskontakt aufweist, der von dem
Relaisanker zeitlich vor dem Nutzkontakt geschlossen und nach dem Nutzkontakt geöffnet
wird und während seiner Schließungszeit die Basis des Transistors an Spannung legt
und dadurch den durch den Transistor gebildeten Überbrückungsweg des Nutzkontaktes
leitend macht. Im Gegensatz zu den bekannten Schaltanordnungen mit Folgekontakten
wird hier bereits beim ersten Schaltschritt der Verbraucher eingeschaltet, so daß
keine Einschaltverzögerung entsteht. Außerdem sind keine Funkenlöschmittel erforderlich.
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Auch eine thermische t;Jberlastung des Transistors kann bei dieser
Lösung nicht eintreten, da das elektronische Bauelement im wesentlichen nur beim
Ein-und Ausschalten während der Schaltphasen belastet wird. Während der Dauer der
Kontaktgabe ist die Belastung des elektronischen Bauelements darum so
gering,
weil der geschlossene Folgekontakt dann im wesentlichen den Nutzstrom führt.
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Die Tatsache, daß bei dieser Anordnung keinerlei Funken auftreten
können, erhöht die ohne Wartung erreichbare Schaltzahl der Kontakte erheblich. Im
übrigen lassen sich aus diesem Grund die Kontakthübe des Relais auf ein Minimum
verkleinern, so daß für das Relaissystem gutgeschlossene Magnetkreise gewählt werden
können, was die Ansprechempfindlichkeit des Relais erhöht.
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Normalerweise ist der Transistor dem Nutzkontakt dauernd parallel
geschaltet, wodurch allerdings auch eine dauernde Sperrbeanspruchung des Transistors
eintritt. Außerdem liegt der Sperrwiderstand des Transistors parallel zum geöffneten
Kontakt, so daß der Verbraucherkreis nichtvöllig aufgetrennt ist. Um dieseSperrbeanspruchung
auf eine kürzereZeitspanne zu begrenzen, und um den Verbraucherkreis ganz aufzutrennen,
kann man einen weiteren Hilfskontakt am Relais vorsehen, der den Transistor erst
bei Beginn der Ankerbewegung dem Nutzkontakt parallel schaltet.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender
Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen, wobei Fig.1 die Anordnung mit einem
dem Nutzkontakt dauernd parallel geschalteten Transistor zeigt, während Fig. 2 die
Anordnung wiedergibt, bei der die Sperrbeanspruchung des Transistors auf einen kurzenZeitabschnitt
begrenzt ist.
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Gemäß Fig. 1 besitzt die Anordnung ein Relais R mit dem Nutzkontakt
r 1 und dem Hilfskontakt r 2.
Der Nutzkontakt r1 soll betriebsmäßig
den Verbraucher V an die Spannung U legen, wobei unterstellt ist,
daß es sich um einen Verbraucher mit großem Leistungsbedarf handelt.
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Der Nutzkontakt r1 ist durch den Transistor Tr, und zwar durch dessen
Emitter- und Kollektoranschluß überbrückt, während die Basis des Transistors an
den r2-Kontakt geführt ist. Zur Festlegung des Basispotentials dient ein Widerstand
W, der zwischen Basis und Emitter des Transistors geschaltet ist.
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Wird durch Schließen des Tastschalters T die Wicklung des Relais R
erregt und der Anker angezogen, so schließt zuerst der r 2-Kontakt und damit wird
die Basis des Transistors an Spannung gelegt, wodurch der Transistor Tr leitend
wird. Dadurch fließt der zu schaltende Strom bereits über den Transistor, und der
metallische Kontakt (Nutzkontakt r l) hat lediglich die Aufgabe, den Restwiderstand
des Transistors kurzzuschließen. Der Transistor Tr wird dabei im wesentlichen nur
für den Einschaltaugenblick thermisch belastet, und zwar so lange, bis der Relaisanker
während seiner Anzugsbewegung auch den Nutzkontakt r 1 schließt. Für die Dauer der
Kontaktgabe führt dann. der Nutzkontakt den überwiegenden Teil des Verbraucherstroms.
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Soll der Stromkreis zum Verbaucher V unterbrochen werden, so wird
nach Öffnen der Taste T die Wicklung des Relais R stromlos und der Relaisanker nimmt
wieder die in der Fig. 1 dargestellte Ruhelage ein. Dies erfolgt jedoch ebenfalls
wieder in zwei Schaltphasen. Zuerst wird der Nutzkontakt r1 geöffnet, während der
Transistor Tr den vollen Schaltstrom übernimmt. Erst nach Öffnen des Hilfskontakts
r 2 wird der Transistor hochohmig und sperrt dann den Stromfuß zum Verbraucher V.
In Fig.2 ist gezeigt, wie man die Sperrbeanspruchung des Transistors durch Verwendung
eines weiteren Hilfskontakts verkleinern kann. Während bei der beschriebenen Anordnung
der Transistor dauernd dem Nutzkontakt r 1 parallel geschaltet ist, erfolgt dies
hier erst dann, wenn die Wicklung des Relais R erregt wird und die Ankerbewegung
bereits eingesetzt hat.
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Die Kontakte, die man auch als Folgekontakte bezeichnet, werden hier
in der Reihenfolge r3, r2 und r1 geschlossen. Damit wird erreicht, daß bei Beginn
der Ankerbewegung zuerst über den r3-Kontakt der Transistor Tr den Nutzkontakt r1
überbrückt und damit erst von diesem Augenblick an die Sperrbeanspruchung des Transistors
wirksam ist. Bei der weiteren Ankerbewegung wird dann der r2-Kontakt geschlossen
und damit der Transistor leitend, wodurch der Verbraucher V an die Spannung U gelegt
wird. Erst dann schließt der Nutzkontakt r 1 und übernimmt für die Dauer der Kontaktgabe
den größten Teil des Verbraucherstroms.
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Naturgemäß ist eine derartige Anordnung nicht auf die Verwendung für
Relais beschränkt, sondern es können damit auch andere Schaltanordnungen aufgebaut
werden, bei denen es auf einen möglichst geringen Verschleiß der metallischen Schaltkontakte
ankommt. So lassen sich nach dem gleichen Prinzip mechanische Kontaktwechselrichter
aufbauen, für deren guten Wirkungsgrad es besonders günstig ist, wenn bei großer
Verschleißfestigkeit die Kontaktwiderstände klein sind.