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Elektronischer Schalter Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen,
vorzugsweise mit Transistoren bestückten Schalter, der aus einer Steuerstufe und
einer Schaltstufe besteht.
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Bei bekannten Anordnungen, in denen Transistoren zum Schalten von
Stromkreisen verwendet werden, treten Schwierigkeiten bei der Anpassung des Steuereinganges
an einen vorgegebenen Gleichstromkreis auf. Dabei besteht zusätzlich noch die Gefahr
einer Zerstörung der mit Transistoren bestückten Einrichtung bei Überlastung des
Einganges, so daß sie nur für einen kleinen Spannungsbereich anwendbar sind. Außerdem
besteht bei Gleichstromschaltungen mit Transistoren eine galvanische Verbindung
zwischen Steuerstromkreis und Schaltstromkreis.
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Ziel der Erfindung ist ein mit Transistoren bestückter elektronischer
Schalter, bei dem eine galvanische Trennung zwischen dem Eingangsstromkreis und
dem Ausgangsstromkreis besteht und bei dem eingangsseitig eine Anpassung an beliebige
Steuerstromkreise mit einfachen Mitteln möglich ist. Dabei soll der Steuereingang
des elektronischen Schalters weitgehend gegen Überlastungen unemp= findlieh sein.
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Erfindungsgemäß ist es dadurch gelöst, daß die Steuerstufe eine Oszillatorschaltung
mit in deren Rückkopplungskreis über eine oder mehrere Eingangsspulen magnetisch
beeinilußbarem und derart angeordnetem Hallgenerator ist, daß die Sekundärwicklung
eines Ausgangsübertragers der Oszillatorstufe an den Strompfad des Haugenerators
angeschlossen und die Hauspannung an den Eingang des Oszillators gelegt ist.
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In vorteilhafter Weise ist bei der Anordnung nach der Erfindung durch
die Verwendung eines Hallgenerators als Kopplungsglied zwischen Eingang und Ausgang
sowohl eine galvanische Trennung zwischen Steuerstromkreis, Betriebsspannung und
Schaltstromkreis als auch eine Rückwirkungsfreiheit des Schaltausganges auf den
Eingang erreicht. Dadurch, daß der Steuereingang aus einer Spule besteht, ist eine
einfache Anpassungsmöglichkeit an vorgegebene Stromkreise wie bei elektromagnetischen
Relais geschaffen.
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Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist der Fortfall einer Stromquelle
für den Haugenerator, der besonders ins Gewicht fällt, da diese von der Stromversorgung
der Transistorschaltung getrennt sein muß. Bei Einrichtungen mit mehreren Hallgeneratoren
ist in manchen Fällen sogar für jeden Hallgenerator eine besondere Stromquelle erforderlich.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung
eines ersten Ausführungsbeispieles einer Steuerstufe, F i g. 2 eine schematische
Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles einer Steuerstufe und F i g. 3 eine
vereinfachte Schaltskizze für ein Aus= führungsbeispiel eines elektronischen Schalters:
Im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 ist eine Steuerstufe mit zwei getrennten Steuereingängen
dargestellt. An die Eingangsklemmen 1 und 2 ist eine erste Erregerspule 3 und an
die Klemmen 4 und 5 eine zweite Erregerspule 6 angeschlossen. Die beiden Spulen
3 und 6 sind auf einen gemeinsamen Kern 7 aus ferromagnetischem Material gewickelt.
In diesem Kern 7 wird ein den Strömen und Windungszahlen der beiden Spulen 3 und
6 proportionales resultierendes Magnetfeld erzeugt. Im Bereich dieses Magnetfeldes
ist der Hallgenerator 8 angeordnet. Diese Anordnung kann so ausgebildet sein, daß
der Kern 7 ein in der Richtung seiner Mantellinien geschlitzter Ringkern ist, in
dessen Schlitz das ilallgeneratorplättchen 8 eingefügt ist. Die Spulen 3 und 6 sind
dabei auf den Ringkern gewickelt. Wie es aus der Technik der elektromagnetischen
Relais bekannt ist, kann man mit zwei oder mehreren Erregerspulen verschiedene Schaltaufgaben
lösen. So kann beispielsweise die Schaltung der Steuerstufe der F i g. 1 so ausgebildet
sein, daß eine Erregung beider Spulen 3 und 6 zur Auslösung eines Schaltvorganges
erforderlich ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß man die beiden Spulen
gegensinnig wirken läßt.
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Der Strompfad des Hallgenerators 8 ist an die Sekundärwicklung eines
Rückkopplungsübertragers 10 der Steuerstufe angeschlossen. Dadurch ist eine exakte
Anpassung an extrem niederohmige Hallgeneratoren
möglich. Die Abgriffe
für die Hauspannung des Hallgenerators 8 sind auf den Eingang des Oszillatorverstärkers
9 geschaltet.
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Wird nun einer der Spulen 3 und 6 ein Gleichstrom zugeführt, so entsteht
im Kern 7 ein Magnetfeld. Durch dieses auf den Hallgenerator 8 einwirkende Magnetfeld
wird das Verhältnis der Hauspannung zum über den übertrager10 eingekoppelten Steuerstrom
des Hallgenerators geändert und damit die Rückkopplung des Oszillatorverstärkers
9 gesteuert. Der Ausgang des Oszillatorverstärkers 9 ist auf die Klemmen 11 und
12 geführt, an die die Schaltstufe des elektronischen Schalters anzuschließen ist.
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Da der Oszillatorverstärker 9 in F i g. 1 ohne das Vorhandensein eines
den Hallgenerator 8 in Mitkopplungsrichtung beeinflussenden Magnetfeldes nicht schwingt,
entspricht diese Anordnung einem Relais mit Arbeitskontakt. Das Einsetzen und das
Aussetzen der Oszillatorschwingungen wirkt nicht auf den Eingang zurück, so daß
der Eingangswiderstand an den Klemmen 1, 2, 4, 5 unabhängig davon ist. Zur Einstellung
der Ansprechwerte können zusätzliche Dauermagnete, die den Magnetkreis der Anordnung
beeinflussen, vorgesehen werden.
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Wählt man jedoch für den Magnetkern 7 ein Material mit rechteckiger
Hystereseschleife, so erhält die Steuerstufe einen bistabilen Charakter. Dabei kann
die Spule 3 der einen und die Spule 6 der anderen Magnetisierungsrichtung des Magnetkerns
7 zugeordnet sein. Bei entsprechender Polung bewirken dann beispielsweise eine Steuerspannung
an den Klemmen 1 und 2 eine Rückkopplung über den Hallgenerator 8 und eine Spannung
an den Klemmen 4 und 5 eine Gegenkopplung, so daß im ersten Fall an den Ausgangsklemmen
11 und 12 eine Wechselspannung entsteht, während im Fall der Gegenkopplung der Oszillatorverstärker
9 nicht schwingt, also keine Ausgangsspannung erzeugt wird.
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Das Ausführungsbeispiel der F i g. 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel
der F i g. 1 dadurch, daß ein zusätzlicher Stromkreis für eine direkte Rückkopplung
vorgesehen ist. Zu diesem Zweck ist der Rückkopplungsübertrager 10 mit einer
dritten Wicklung 10' versehen. Diese ist über den Rückkopplungswiderstand 13 mit
dem Spannungspfad des Haugenerators 8 in Serie geschaltet, so daß sich die Hallspannung
und die Rückkopplungsspannung addieren. Parallel zu der Wicklung 10' und dem Rückkopplungswiderstand
13 ist ein Widerstand 14 geschaltet, über den die beim Anschwingen des Oszillatorverstärkers
sehr niedrige Hauspannung bei hohen Widerstandswerten von 13 und 10' direkt
dem Eingang des Oszillatorverstärkers 9 zugeleitet wird.
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Ist nun die Wicklung 10' in Mitkopplungsrichtung und der Haugenerator
8 in Gegenkopplungsrichtung geschaltet, so schwingt bei niederohmigem Widerstand
13 der Oszillatorverstärker 9, wenn die Steuerspule 3 stromlos ist. Dieser Schwingzustand
wird unterbrochen, sobald ein Strom durch die Spule 3 fließt. Diese Anordnung ist
also mit einem Relais mit einem Ruhekontakt vergleichbar.
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Wird in F i g. 2 der Rückkopplungswiderstand 13 durch einen nichtlinearen
Widerstand, dessen Größe sich umgekehrt proportional zur angelegten Spannung verhält,
beispielsweise eine Diodenkombination, ersetzt, so erhält die Anordnung einen bistabilen
Charakter. Wenn die Steuerspule 3 stromlos ist, kann der Oszillatorverstärker nicht
anschwingen, da der Widerstand der Diodenkombination im Rückkopplungskreis zu hoch
ist. Erst wenn der Hallgenerator 8 durch einen die Spule 3 durchfließenden Strom
magnetisch in Mitkopplungsrichtung beeinflußt wird, setzt ein Schwingen des Oszillatorverstärkers
9 ein. Die damit auf die Wicklung 10' des Rückkopplerübertragers induzierte
Spannung erreichte dabei einen Wert, bei dem die Diodenkombination 13 im Rückkopplungskreis
niederohmig wird. Der Schwingungszustand wird damit auch bei stromloser Spule 3
aufrechterhalten. Wird der Hallgenerator 8 wiederum durch einen Strom in
der Spule 3, der dem Einschaltstrom entgegengerichtet ist, magnetisch in Gegenkopplungsrichtung
beeinflußt, so wird dadurch ein Schwingen des Oszillatorverstärkers 9 unterbunden.
Das gleiche Ergebnis wird erzielt, wenn der Oszillatorverstärker 9 selbst als nichtlinearer
Verstärker ausgebildet ist.
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In F i g. 3 ist nun die vereinfachte Schaltung eines Ausführungsbeispiels
für einen elektronischen Schalter in einem Wechselstromkreis wiedergegeben. Als
Stromversorgung für den Transistor 18 des Oszillators dient die Gleichspannungsquelle
19. Die Vorspannung für die Basis des Transistors 18 wird über den Spannungsteiler
15, 16 und den Emitterwiderstand 17 eingestellt. Der die Eigenfrequenz des
Oszillators bestimmende Schwingkreis besteht aus dem Rückkopplungsübertrager
10 und einer dessen Primärwicklung parallel geschalteten Kapazität
20, die entfallen kann, wenn die Eigenkapazität des übertragers
10 ausreichend ist. Die Funktionsweise dieser Steuerstufe 1 bis 20 entspricht
weitgehend der dei Fig. 1, so daß sich eine Beschreibung erübrigt.
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Die Schalterstufe der F i g. 3 wird über den Übertrager 21 durch die
Oszillatorströme der Steuerstufe gesteuert. Diese Wechselströme werden über die
Gleichrichter 22 und 23 gleichgerichtet und der Basis des Transistors
27 zugeführt. Zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 27 ist ein Glättungskondensator
24 geschaltet. Der Widerstand 25 und die Diode 26 erzeugen
eine positive Vorspannung der Basis gegenüber dem Emitterpotential des Transistors
27, womit ein sicheres Sperren des Transistors 27 erreicht wird. Der Schaltstromkreis
der Anordnung besteht aus einer Wechselstromquelle 32 und einem Verbraucher 31.,
die mittels der Klemmen 29 und 30 an eine Gleichrichterschaltung 28, die wiederum
in den Kollektorstromkreis des Transistors 27 eingeschleift ist, angeschlossen sind.
Bei gesperrtem Transistor 27 ist somit dieser Stromkreis unterbrochen und bei durchlässigem
Transistor 27 geschlossen. Das Ausführungsbeispiel der F i g. 3 entspricht also
einem Relais mit einer Wicklung und einem Arbeitskontakt mit Wechselstrombelastung.
Es ist jedoch leicht zu erkennen, daß für den Gegenstand der Erfindung mannigfaltige
weitere Anwendungsmöglichkeiten bestehen.