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Umschalter Die Erfindung betrifft einen Umschalter mit kreisförmig
unter Winkeln von 30° und gznzzahligen Vielfachen davon zueinander angeordneten
ortsfesten Kontaktstellen und mit diese Kontaktstellen verbindenden, beweglichen
Kontaktbrücken von zueinander unveränderter Anordnung sowie gegebenenfalls Leer-
und Sonderkontakten.
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Der Umschalter der Erfindung dient zur Umschaltung elektrotechnischer
Schaltelemente, wie z. B. Wicklungen von Induktionsgeräten, Drosseln, Kondensatoren,
Widerständen oder sonstigen aktiven oder passiven Netzwerken. Vorzugsweise dient
er dazu, die aus verschiedenen Teilwicklungen bestehende Primärwicklung eines Netztransformators
derart umzuschalten, daß die Primärwicklung wahlweise an verschiedene Netzspannungen
angeschlossen werden kann. Insbesondere die letztgenannte Schaltaufgabe entspricht
einem wichtigen Bedürfnis, da die Netzanschlußgeräte für den europäischen Markt
an möglichst viele verschiedene Netzspannungen anschließbar sein sollen.
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Die Möglichkeit, Netztransformatoren durch Umschaltung ihrer Primärwicklung
an verschiedene Netzspannungen anschließen zu können, ist bekanntlich nicht neu
und wird bisher auf verschieden: Weise bewerkstelligt. Das eigentliche Problem der
Umschaltung besteht dabei darin: Je mehr Anschlußspannungen wählbar sind und je
sinnreicher die Primärwicklungsanordnung des Transformators hinsichtlich günstiger
Ausnutzung des Wickelraumes und rationeller Fertigung ist, desto komplizierter ist
die in der wechselnden Verknüpfung der Primäranzapfungen oder Primärteilwicklungen
bestehende Umschaltaufgabe. Komplizierte Umschaltaufgaben erfordern aber im allgemeinen
aufwendige Umschalter, so daß dann insgesamt die durch günstige Primärwicklungsanordnung
am Netztransformator erzielten Ersparnisse durch erhöhten Aufwand beim Umschalter
ausgeglichen oder sogar überwogen werden. Bisher war man hinsichtlich der Wahl der
möglichen Anschlußspannungen zu meist empfindlichen Einschränkungen gezwungen, weil
sonst der Gesamtaufwand von Primärwicklung und Umschalter zusammen zu groß gewesen
wäre. Der Umschalter der Erfindung bringt in dieser Hinsicht einen bedeutenden technischen
Fortschritt. Mit seiner Hilfe können sechs wichtige Anschlußspannungen bei erstaunlich
kleinem Gesamtaufwand erzielt werden.
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Nach dem Stand der Technik gibt es Umschalter mit kreisförmig unter
gleichen Abständen zueinander angeordneten ortsfesten Kontaktstellen und mit diese
Kontaktstellen verbindenden, beweglichen Kontakt-Brücken von zueinander unveränderter
Anordnung. Es ist bekannt, Umschalter solcher Bauart zur Parallel-Serie-Schaltung
zweier einander gleicher Primärteilwicklungen unter wahlweiser Zuschaltung einer
Hilfswicklung zu verwenden, wobei sich maximal vier verschiedene Anschlußspannungen
erzielen lassen. Es sind Umschalter der eben genannten Art und Verwendungsweise
bekannt, bei denen jede der Kontaktbrücken Verbindung zwischen jeweils zwei einander
benachbarten Kontaktstellen bewirkt. Es ist auch ein Umschalter bekanntgeworden,
bei dem die ortsfesten Kontaktstellen kreisförmig unter Winkeln von 30° zueinander
angeordnet sind und bei dem die beweglichen Kontaktbrücken eine zueinander unveränderte
Anordnung haben. Dieser Umschalter unterscheidet sich vom Umschalter der Erfindung
durch die größere Zahl und andersartige Gruppierung der für die Funktion des Schalters
wesentlichen Kontaktstellen und durch die andersartige Ausbildung und Anordnung
der Kontaktbrücken. Der letztgenannte bekannte Umschalter dient speziell dem Zweck,
einen Einphasenelektromotor durch Umschaltung seiner Arbeitswicklung und seiner
Feldwicklung auf wahlweise zwei verschiedenen Netzspannungen und außerdem im Vorwärts-
und Rückwärtsgang laufen lassen zu können.
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Es sind Denkregeln bekanntgeworden, mit deren Hilfe man für viele
Schaltaufgaben einen Umschalter finden kann, ohne dabei auf bloßes Ausprobieren
angewiesen zu sein und ohne dabei auf allzu aufwendige Umschalter zu verfallen.
Keineswegs aber führen diese Denkregeln immer auf den einfachstmöglichen Umschalter;
im Gegenteil, sie lassen oft den innerhalb ihres Denkschemas einfachsten Umschalter
fälschlich als einfachstmögiiche Lösung überhaupt erscheinen und verbauen dadurch
den Blick auf eine noch einfachere, andersartige Lösung. Der Umschalter der Erfindung
ist eine überraschend einfache Lösung
mit minimalem Aufwand; er
konnte durch die genannten allgemeinen Denkregeln nicht gefunden werden.
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Zur Beseitigung der Mängel sind bei einem Schalter der eingangs beschriebenen
Art erfindungsgemäß acht für die Funktion des Schalters wesentliche Kontaktstellen
angeordnet, die, zu je vieren aufeinanderfolgend, zwei einander zentral gegenüberliegende
Gruppen bilden, außerdem sind eine lange und fünf kurze, bewegliche Kontaktbrücken
vorhanden in der Art, daß die lange Kontaktbrücke die Verbindung zwischen zwei unter
90° zueinander versetzten Kontaktstellen bewirkt, während von den fünf kurzen Kontaktbrücken
eine jede Verbindung bewirkt zwischen jeweils zwei unter 30° zueinander versetzten
Kontaktstellen.
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Der hauptsächlichste Anwendungsfall dieses neuen Umschalters ist der,
bei dem die Parallel-Serie-Schaltung zweier Schaltelemente mit in Reihe dazu liegender
Parallel-Serie-Schaltung zweier Zusatzschaltelemente sowie die Parallel-Serie-Schaltung
der zwei Schaltelemente unter Abschaltung der zwei Zusatzschaltelemente bewirkt
werden. Die Schaltung im eben genannten Anwendungsfall ist zweckmäßig der gestalt,
daß bei fortlaufender Benennung der Kontaktstellen in der Folge 1 2 3 4
... 5674 ... die Kontaktstellen 1 und 3 mit dem einen Schaltelement, die
Kontaktstellen 2 und 4 mit dem anderen Schaltelement, die Kontaktstellen 4 und 6
mit dem einen Zusatzschaltelement, die Kontaktstellen 5 und 7 mit dem anderen Zusatzschaltelement
verbunden sind und ferner die Kontaktstellen 1 und 7 mit Eingangspol und Ausgangspol
(Netz) verbunden sind.
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Der neue Umschalter ist für verschiedenartige Umschaltaufgaben geeignet.
Sein großer technischer Fortschritt besteht vor allem darin, daß er die im letzten
Absatz beschriebene Umschaltung zweier Schaltelemente und zweier Zusatzschaltelemente
unter erstaunlich kleinem Aufwand löst; nämlich mit einem Kontaktstellenabstand
von nicht weniger als 30°, mit nicht mehr als acht für die Funktion des Schalters
wesentlichen Kontaktstellen und mit einfachen, sich nirgends überschneidenden Kontaktbrücken.
Der relativ große Winkelabstand der Kontaktstellen ist wichtig, weil - bei gegebenem
Linearabstand der Kontaktstellen - die Grundfläche des Umschalters quadratisch mit
dem Kehrwert des Winkelabstands der Kontaktstellen wächst. Die zwei vorausgehend
genannten Schaltelemente und die zwei Zusatzschaltelemente haben normalerweise je
zwei Drahtenden, also insgesamt acht Drahtenden; ein Umschalter mit mehr als acht
Kontaktstellen würde daher vergrößerten Materialaufwand, vergrößerte Anlötarbeit
und vergrößerte Verwechslungsmöglichkeiten haben. Nur die erstaunliche Einfachheit
des Umschalters der Erfindung hinsichtlich Größe, Anzahl der benötigten Kontaktstellen
und Einfachheit der Kontaktbrücken ermöglicht es, ihn für die Verwendung in großen
Stückzahlen genügend wirtschaftlich herzustellen und einzusetzen.
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F i g. 1 zeigt in halbschematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel
des Umschalters der Erfindung. In F i g. 1 sind die acht für die Funktion des Umschalters
wesentlichen Kontaktstellen mit arabischen Ziffern bezeichnet; die lange Kontaktbrücke
ist mit B, die kurzen Kontaktbrücken sind mit bi, b2, b3, b4, b5 bezeichnet.
Die in F i g. 1 als dünn gezeichnete Kreislinien dargestellten Plätze können einfach
frei gelassen oder als Leerkontaktstellen, d. h. als nicht angeschlossene Kontaktstellen,
ausgebildet sein. Für Spezialzwecke können diese Plätze auch mit Sonderkontaktstellen
besetzt sein, d. h. mit Kontaktstellen, die irgendwelchen zusätzlichen Aufgaben
dienen.
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Die technische Ausführung eines Umschalters der Erfindung kann sehr
verschiedenartig sein, etwa als Drehschalter mit Kontaktfingern üblicher Bauart.
Beispielsweise können die Kontaktbrücken als Metallfedern oder federhinterlegte
Metallteile ausgebildet sein. Die Kontaktstellen können als einzelne Metallteile
in eine Kontaktstellenplatte eingesetzt sein; statt dessen kann das Kontaktstellensystem
und/ oder das Kontaktbrückensystem auch auf eine Scheibe im Sinne einer gedruckten
Schaltung gedruckt sein. Der erfindungsgemäße Umschalter kann beispielsweise auch
in zylindrischer Grundform ausgebildet sein, wobei etwa ein die Kontaktbrücken tragender
Kunststoffzylinder in einem die Kontaktstellen auf seiner Innenseite tragenden Hohlzylinder
drehbar angeordnet ist. Er kann beispielsweise auch als Steckschalter aufgebaut
sein, etwa in der Weise, daß das Kontaktstellensystem einem Röhrensockel ähnelt
und das zugehörige Kontaktbrückensystem einem unter verschiedenen Winkeln einzusteckenden
Röhrenboden entspricht.
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In den F i g. 2 und 3 ist jeweils am Beispiel der Primärwicklung eines
Netztransformators gezeigt, wie die vom Umschalter der Erfindung umzuschaltenden
Schaltelemente und Zusatzschaltelemente beschaffen und angeordnet sein können. Dabei
bedeuten E1 und E2 die Schaltelemente, welche in diesem Fall zwei Hauptwicklungen
gleicher Windungszahl für je 110 V sind; ei und e2 bedeuten die Zusatzschaltelemente,
welche in diesem Fall zwei Zusatzwicklungen gleicher Windungszahl für je 20 V sind.
In den F i g. 2 und 3 bedeuten Ni und N2 die beiden Anschlußpole des Netzes; die
Ziffern 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 bedeuten, daß in diesem Beispiel die damit bezeichneten
Drahtenden mit den gleichlautend bezeichneten Kontaktstellen des in F i g.1 gezeigten
Umschalters verbunden zu denken sind. Die beiden in F i g. 1 mit 4 bezeichneten
Kontaktstellen können schon von vornherein bei der Fabrikation des Umschalters als
verbundene Kontaktstellen ausgebildet sein oder erst durch die Verbindung mit den
Drahtenden der zu schaltenden Elemente leitende Verbindung miteinander erhalten.
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Bei den in der F i g. 2 mit 1 und der F i g. 3 mit 1 gezeigten Beispielen
sind für die in F i g. 1 gezeigte Stellung des Brückensystems die beiden Hauptwicklungen
El und E2 einander seriegeschaltet und die beiden Nebenwicklungen ei und e2 einander
parallel und zu den Hauptwicklungen in Reihe geschaltet; die konkrete Anschlußspannung
ist dabei also 240 V. Die weiteren fünf Kombinationen, die sich durch die Parallel-Serie-Schaltung
der Hauptwicklungen Ei und E2 mit in Reihe dazu liegender Parallel-Serie-Schaltung
der zwei Nebenwicklungen ei und e2 sowie durch die Parallel-Serie-Schaltung der
zwei Hauptwicklungen Ei und E2 unter Abschaltung der zwei Nebenwicklungen ei und
e2 noch ergeben, sind in F i g. 1 bei denjenigen fünf Stellungen des Brückensystems
gegeben, welche sich an die in F i g. 1 gezeigte Stellung im Uhrzeigersinn anschließen.
Wenn man nicht alle diese sechs Kombinationen ausnutzen möchte, kann man den Drehbereich
des Umschalters beliebig einschränken.
Die in den Beispielen der
F i g. 2 mit 1 und 3 mit 1 sich ergebenden Spannungskombinationen bilden - nach
ansteigenden Spannungswerten geordnet - Spannungsreihe 110, 130, 150, 220, 240,
260 V. Falls die Spannung jeder Hauptwicklung nicht speziell 110 V, sondern U ist
und die Spannung jeder Nebenwicklung nicht speziell 20 V, sondern u ist, ergibt
sich die Spannungsreihe: U, U -I- u,
U -1- 2u, 2 U, 2 U -f-
u, 2 U -I- 2u. Da U und u beliebig festgelegt werden dürfen,
können hiermit praktisch alle für Netzanschlußgeräte erwünschten Span-. nungsreihen
erzielt werden.
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Die soeben beschriebene Umschaltmethode hat hinsichtlich der Primärwicklung
folgende wichtige Vorteile: Der Kupfer- und Wickelraumbedarf ist nur unwesentlich
größer als-bei einer nur für eine einzige Spannung ausgelegten Primärwicklung. Der
Fertigungsaufwand ist klein, da gewöhnlich alle vier Teilwicklungen in der gleichen
Drahtstärke ausgeführt werden können und die eine Nebenwicklung sich ohne elektrische
Unterbrechung an die eine Hauptwicklung anschließen darf. Da die Hauptwicklungen
in sich und die Nebenwicklungen in sich stets symmetrisch betrieben sind, darf man
bei Zweischenkeltransformatoren je eine ganze Haupt- und eine ganze Nebenwicklung
auf jeden Schenkel legen, ohne daß die Schenkelsymmetrie des Transformators bei
irgendeiner der sechs Teilwicklungskombinationen gestört ist. Die Zahlen I und II
in F i g. 2 weisen darauf hin, daß die zugehörige Wicklung bei Zweischenkeltransformatoren
zweckmäßig auf Schenkel I bzw. Schenkel II des Transformators gelegt wird.
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Zusammen mit der Umschaltung einer aus zwei Hauptwicklungen und zwei
Nebenwicklungen bestehenden Primärwicklung eines Transformators läßt sich in einfachster
Weise die gleichzeitige Umschaltung eines oder mehrerer zusätzlicher Schaltelemente
bewerkstelligen, die als sogenannte Primärsparlast mitbetrieben werden. Dabei legt
man etwa die zusätzlichen Schaltelemente so, daß sie parallel zu den Hauptwicklungen
liegen. El und/oder E2 bestehen in diesem Fall aus der Parallelschaltung der betreffenden
Hauptwicklung mit einem oder mehreren zusätzlichen Schaltelementen. F i g. 3 zeigt
ein Beispiel, in dem ein Motor M parallel zu einer Hauptwicklung gelegt ist. Solange
die von einer solchen Primärsparlast aufgenommene Leistung im Vergleich zur Sekundärleistung
des Transformators nicht zu groß ist, beansprucht der zusätzliche Betrieb der Primärsparlast
praktisch keinen zusätzlichen Wickelraum, falls diejenige Hauptwicklung, zu der
diese Primärsparlast parallel liegt, aus dünnerem Draht als die andere Hauptwicklung
ist. Falls die beiden Hauptwicklungen nicht beide oder nicht symmetrisch mit je
einer Primärsparlast parallel geschaltet sind, empfiehlt es sich, bei symmetrisch
zu betreibenden Zweischenkeltransformatoren jede der beiden Hauptwicklungen hälftig
auf jeden der beiden Transformatorenschenkel I und II aufzuteilen. Ein Beispiel
für diesen Fall gibt F i g. 3, in welcher die mit I bezeichneten Wicklungen auf
dem Schenkel I und die mit II bezeichneten Wicklungen auf dem Schenkel II liegen.