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Einrichtung zur Steuerung eines Gleichstromrelais Die Erfindung betrifft
eine Einrichtung zur Steuerung eines elektromagnetischen Gleichstromrelais mittels
eines zwischen endlichen Grenzen veränderbaren elektrischen Widerstandes.
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Es ist bekannt, den Anzug und den Abfall eines Relaisankers dadurch
zu steuern, daß in Reihe mit der Erregerwicklung eines Gleichstromrelais ein veränderbarer
Widerstand an eine pulsierende Gleichspannung angeschlossen wird, wobei der Erregerwicklung
ein Glättungskondensator parallel geschaltet ist, und daß mittels des veränderbaren
Widerstandes der Erregerstrom des Relais zwischen einem Kleinstwert, bei dem das
Relais sicher abfällt, und einem Größtwert, bei dem das Relais sicher anzieht, verändert
wird. Bei dieser Anordnung der Bauelemente fließt durch den veränderbaren Widerstand
bei jedem Gleichstromimpuls, z. B. bei einer Halbwelle eines mittels eines Einweggleichrichters
gleichgerichteten Wechselstromes, ein Gesamtstrom, welcher sich aus dem Strom durch
die Erregerwicklung und aus dem Ladestrom des Glättungskondensators zusammensetzt.
Durch die in dem veränderbaren Widerstand entstehende Stromwärme wird dieser Widerstand
aufgeheizt.
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Widerstandsgesteuerte Relais finden vorzugsweise Anwendung, um z.
B. bei bestimmten Werten einer stetig veränderlichen physikalischen Größe einen
Arbeitsstromkreis ein- bzw. auszuschalten. Der veränderbare Widerstand ist dabei
so ausgebildet, daß er bei Einwirkung einer physikalischen Größe, welche z. B. ein
Magnetfeld, Feuchtigkeit, Temperatur, Druck, elektromagnetische Strahlung usw. sein
kann, seinen Widerstandswert um einen gewissen, meist nicht sehr großen Betrag ändert.
Wegen der guten quantitativen Ausbeute werden die veränderbaren Widerstände dabei
mit Vorteil aus elektrisch halbleitenden Stoffen hergestellt. Es ist jedoch bekannt,
daß Halbleiterwiderstände durch eine zu hohe Erwärmung leicht zerstört werden können
und daß außerdem bei erhöhten Betriebstemperaturen die eigentlichen, die spezielle
Verwendung eines bestimmten Halbleiterwiderstandes begründenden Effekte teilweise
durch Wärmewirkungen, z. B. durch das sogenannte »thermische Rauschen«, stark überdeckt
werden, was einem Verlust an Empfindlichkeit gleichkommt. Vielfach wird nun auch
noch von der den veränderbaren Widerstand beeinflussenden physikalischen Größe in
diesen Widerstand eine erhebliche Wärmemenge induziert, so daß es sich als notwendig
erweist, die weiter oben erwähnten Stromwärmeverluste in dem veränderbaren Widerstand
so klein wie möglich zu halten, was bei den bekannten Einrichtungen in vielen Anwendungsfällen
zu einer Herabsetzung des Relais-Erregerstromes und damit zur Verwendung von höchstempfindlichen
Relais führt.
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Eine andere Eigenschaft der bekannten Einrichtungen ist, daß der Anzug
und Abfall eines mit pulsierendem Gleichstrom gespeisten Gleichstromrelais von der
Welligkeit des Erregerstromes beeinflußt wird. Da besonders bei Relaiseinrichtungen,
die eine hohe Ansprechempfindlichkeit aufweisen sollen, ein kippartiges Ansprechen
des Relais erwünscht ist, bemißt man den Glättungskondensator so, daß der Erregerstrom
eine möglichst geringe Welligkeit besitzt. Dies wirkt sich andererseits beim Abfall
des Relais dahingehend aus, daß der Erregerstrom stark abgesenkt werden muß, um
einen sicheren Abfall des Relais zu erzielen, d. h., ein sicherer Anzug und Abfall
des Relais bedingen eine relativ große Erregerstromänderung und folglich eine große
Änderung des das Relais steuernden veränderbaren Widerstandes; man spricht dann
von einer großen Schaltdifferenz der Relaiseinrichtung. In vielen Anwendungsfällen
wird aber eine möglichst kleine Schaltdifferenz gefordert, und man hat bisher vor
allem konstruktive Maßnahmen zur Erreichung dieses Zieles ergriffen, wie z. B. die
Entwicklung von höchstempfindlichen Präzisionsrelais. Solche Relais sind schwierig
in der Herstellung, anspruchsvoll hinsichtlich der Materialauswahl und wenig robust.
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Die vorliegende Erfindung betrifft nun eine Einrichtung zur Steuerung
eines Gleichstromrelais mittels eines veränderbaren Widerstandes, mit Mitteln
eines
die Einrichtung speisenden pulsierenden Gleichstromes, bei welcher die den bekannten
Einrichtungen eigenen Schwierigkeiten und Nachteile auf sehr einfache Art dadurch
umgangen sind, daß erfindungsgemäß der veränderbare Widerstand in dem der Glättung
des pulsierenden Gleichstromes dienenden Stromzweig angeordnet ist.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung an einem einfachen Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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In der Zeichnung, die eine Relaisanordnung mit der vorgenannten Steuereinrichtung
zeigt, bedeutet 1 ein Gleichstromrelais mit einem Schaltkontakt 2, der einem nicht
dargestellten Arbeitsstromkreis angehört. An Klemmen 3 und 4 des Gleichstromrelais
1 liegt eine pulsierende Gleichspannung, welche mittels eines Einweggleichrichters
5 aus Wechselstrom gewonnen ist. An den Klemmen 3 und 4 ist über eine Verbindungsleitung
6, 7 eine Reihenschaltung eines der Glättung des pulsierenden Gleichstromes dienenden
Kondensators 8 und eines veränderbaren Widerstandes 9 angeschlossen.
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Für die beschriebene Einrichtung ist folgende Wirkungsweise kennzeichnend:
Befindet sich der veränderbare Widerstand 9, der ein Drahtwiderstand, ein Halbleiterwiderstand,
ein Potentiometer u. dgl. sein kann, in einem Zustand geringer Leitfähigkeit, so
ergibt sich für den Kondensator 8 eine große Lade- und Entladezeitkonstante, so
daß dieser weitgehend unwirksam ist und folglich an den Klemmen 3 und 4 eine pulsierende
Gleich-Spannung anliegt, welcher die Erregerwicklung des Relais 1 einen hohen induktiven
Widerstand entgegensetzt. Demzufolge kann nur ein kleiner Erregerstrom fließen,
der nicht ausreicht, um den Anzug des Relais 1 zu bewirken.
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Wird der veränderbare Widerstand 9 kontinuierlich in einen Zustand
hoher Leitfähigkeit versetzt, so nimmt die Ladezeitkonstante des Kondensators 8
ab, und an den Klemen 3 und 4 wird eine wellige Gleichspannung mit hohem Gleichspannungsmittelwert
wirksam, die das Relais 1 zum Ansprechen bringt.
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Die Vorteile dieser Einrichtung sind nunmehr leicht zu erkennen. Der
veränderbare Widerstand in der Schaltung gemäß der Zeichnung wird nur noch vom Lade-
und Entladestrom des Kondensators 8 durchflossen und nicht mehr wie bei den bekannten
Einrichtungen vom gesamten Erregerstrom des Relais. Dadurch ergibt sich bei gleicher
Erregerleistung des Relais eine Absenkung der Stromwärmeverluste in dem veränderbaren
Widerstand auf die Hälfte bis auf ein Drittel der bei den bekannten Einrichtungen
auftretenden Werte.
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Aus der Beschreibung der Wirkungsweise der Einrichtung geht hervor,
daß der Erregerstrom des Relais 1 bei kleinen Ohmwerten des veränderbaren Widerstandes
9 eine geringe Welligkeit aufweist. Dies führt bekanntlich zu einem sicheren und
kippartigen Ansprechen des Relais 1. Hat jedoch der veränderbare Widerstand 9 einen
großen Widerstandswert, so besitzt der Erregerstrom eine große Welligkeit, wodurch
der Abfall des Relais 1 begünstigt wird. Dies ergibt sich aus den folgenden Überlegungen,
bei welchen der Aufbau und die Wirkungsweise eines elektromagnetischen Gleichstromrelais
mit Kontaktfedersatz im wesentlichen als bekannt vorausgesetzt sind.
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Auf den Relaisanker wirken zwei einander entgegengerichtete Kräfte:
die magnetische Anziehungskraft und die Rückstellkraft des Kontaktfedersatzes, kurz
Federkraft genannt. Die Bewegungsrichtung des Ankers wird von der jeweils überwiegenden
Kraft bestimmt. Im angezogenen Zustand ist die magnetische Anziehungskraft groß,
jedoch sehr empfindlich von der Weite des Arbeitsluftspaltes abhängig, und die Federkraft
besitzt ihren höchsten Wert. Soll das Relais abfallen, so muß der Erregergleichstrom
so weit vermindert werden, bis die magnetische Anziehungskraft unter die Federkraft
absinkt. Wird die Erregerwicklung nun von einem stark welligen bzw. pulsierenden
Gleichstrom durchflossen, so unterliegt auch die magnetische Anziehungskraft entsprechenden
Pulsationen. Bei einer Abnahme des Erreger-Stromes sinkt nun die magnetische Anziehungskraft
bereits dann unter die Federkraft ab, wenn der Augenblickswert des pulsierenden
Erregerstromes gerade ein Minimum durchläuft, auch wenn der Mittelwert des Erregergleichstromes
einen Abfall des Ankers noch lange nicht zulassen würde. Das kurzzeitige Übergewicht
der Federkraft genügt aber, um den Arbeitsluftspalt ein wenig zu vergrößern und
damit gleichzeitig die magnetische Anziehungskraft weiter abzusenken. Dieser Vorgang
wiederholt sich in den folgenden Halbperioden, wobei der Relaisanker progressiv
abfällt. Praktisch kann man hier ebenfalls von einem kippartigen Abfall sprechen.
Nunmehr ist leicht einzusehen, daß bei der beschriebenen Einrichtung infolge der
starken Welligkeit des Erregerstromes bei der Einleitung des Abfallvorganges der
Abfall des Relais früher einsetzt als bei den entsprechenden bekannten Einrichtungen,
wodurch sich eine beträchtliche Verringerung der Schaltdifferenz ergibt. Dieser
Gewinn erleichtert die Justierarbeit sowie die Einhaltung der für die Lage der Arbeitspunkte
einer Relaiseinrichtung zu fordernden Toleranzen und bringt, vor allem im Zusammenhang
mit der Herabsetzung der Stromwärmeverluste in dem veränderbaren Widerstand und
der dadurch erzielten besseren quantitativen Ausnutzung der spezifischen Effekte
dieser Widerstände und der Erhöhung ihrer Lebensdauer, eine wesentliche Steigerung
der Empfindlichkeit von widerstandsgesteuerten Relaiseinrichtungen, ohne daß dazu
irgendwelche zusätzlichen oder verbesserten Bauelemente erforderlich sind.
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Der Erfindungsgegenstand besitzt aber noch einen weiteren besonderen
Vorteil. Es zeigt sich nämlich, daß in mit Gleichstrom betriebenen Halbleiterwiderständen
unerwünschte Polarisationserscheinungen auftreten, die sich in einer Kennlinienänderung
auswirken und damit zu einem Versagen von Relaiseinrichtungen der bekannten Art
führen können. Es ist deshalb auch schon eine Einrichtung zur Vermeidung der Polarisation
verwendet worden, bei der aber zusätzliche und relativ aufwendige Mittel eingesetzt
werden.
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Die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung löst das Problem der
Polarisation in vollkommener Weise ohne Anwendung zusätzlicher Mittel, denn der
durch Polarisation gefährdete veränderbare Widerstand 9 wird nur vom Lade- und Entladestrom
des Kondensators 8, also von einem Strom mit im Takt der Speisefrequenz wechselnder
Richtung, durchflossen, so daß eine Polarisation nicht auftreten kann. Die beschriebene
Einrichtung wird mit Vorteil im Detektorkreis von Signal bzw. Überwachungseinrichtungen
angeordnet, wobei das gesteuerte Relais
als »Detektorrelais« und
der dieses Relais steuernde veränderbare Widerstand als »Fühler« bezeichnet wird.
Dieser Fühler kann unter anderem ein strahlungsempfindlicher Widerstand sein, z.
B. ein Photowiderstand, der durch Strahlungseinwirkungen Schalthandlungen einer
Signal- bzw. Überwachungseinrichtung veranlassen soll.
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Signal- und Überwachungseinrichtungen müssen in der Regel einem hohen
Sicherheitsgrad genügen. Deshalb wird unter anderem bei solchen Einrichtungen gefordert,
daß bei Störungen der Verbindungsleitung zwischen Detektorrelais und Fühler, z.
B. bei Unterbrechung oder bei Kurzschluß dieser Verbindungsleitung, das Detektorrelais
eine bestimmte Schaltstellung einnimmt, wodurch eine von der Oberwachungseinrichtung
beeinflußte Anlage, z. B. eine mit Gas oder Öl betriebene Feuerungsanlage, in einen
gefahrlosen Zustand gesteuert wird.
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Wie aus der Figur ersichtlich ist, besitzt der Detektor in der dort
aufgezeigten Schaltung eine inhärente Sicherheit gegenüber Unterbrechungen oder
Kurzschlüssen der Verbindungsleitung 6, 7, wenn der Kondensator 8 in unmittelbarer
Nähe des veränderbaren Widerstandes 9, vorzugsweise im gleichen Gehäuse wie dieser
untergebracht ist. Eine Unterbrechung oder ein Kurzschluß in der Verbindungsleitung
6, 7 macht in diesem Fall den Kondensator 8 unwirksam, so daß das Relais 1 infolge
der nunmehr fehlenden Glättung des pulsierenden Gleichstromes, bzw. bei Vollkurzschluß
der Verbindungsleitung infolge des Spannungszusammenbruches an den Relaisklemmen
3 und 4, sofort abfällt und damit entsprechende Schalthandlungen der Überwachungseinrichtung
auslöst.
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Die Unterbringung des Kondensators 8 in unmittelbarer Nähe des veränderbaren
Widerstandes 9 kann in manchen Anwendungsfällen der Erfindung eine Erwärmung des
Kondensators 8 zur Folge haben. Dies bedeutet jedoch keine Einschränkung in der
Anwendbarkeit des Erfindungsgegenstandes, ebensowenig ergeben sich Beschränkungen
aus konstruktiven Gründen, denn einerseits ist eine Änderung dei Kapazität des Kondensators
8 in weiten Grenzen ohne nennenswerten Einfluß auf das einwandfreie und genaue Arbeiten
der beschriebenen Einrichtung, andererseits genügen für den Kondensator 8 kleine
Kapazitätswerte, so daß dessen Unterbringung in der Nähe des veränderbaren Widerstandes
9 ohne weiteres möglich ist. Schließlich sei noch auf weitere Vorteile hingewiesen,
die die beschriebene Einrichtung vor den bekannten Einrichtungen auszeichnen. Auf
Grund der Anordnung der Bauelemente kann nämlich in allen denkbaren Fällen an den
einzelnen Bauelementen keine höhere Spannung auftreten als die normale Betriebsspannung,
für die sie bemessen sind. Bei den bekannten entsprechenden Einrichtungen liegt
im einfachsten Fall eine Reihenschaltung aus einem Relais und einem dieses steuernden
veränderbaren Widerstand an einer Speisespannung. Die Betriebsspannung des Relais
einerseits und des veränderbaren Widerstandes andererseits entspricht bei dieser
Reihenschaltung aber nur einem Bruchteil der Speisespannung. Will man nun vermeiden,
daß bei Störung eines Bauelementes, z. B. bei internem Kurzschluß desselben, auch
das andere Bauelement durch die an ihm wirksam werdende unzulässig hohe Spannung
zerstört wird, müssen diese Bauelemente hinsichtlich ihrer Spannungsfestigkeit durchweg
für die volle Speisespannung bemessen werden. Bei der vorliegenden Steuereinrichtung
tritt dieses Problem, wie erwähnt, nicht auf. Die kleine Parallelimpedanz der Einrichtung
ermöglicht es außerdem, mit sehr niedrigen Speisespannungen auszukommen, wodurch
sich mannigfache Vorteile hinsichtlich der Materialauswahl, der Einhaltung behördlicher
Bemessusngsvorschriften, der Betriebssicherheit usw. ergeben und wodurch auch die
Ausbildung raumsparender Konstruktionen begünstigt wird.