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Schaltung an einer Erregerspule für Schütze oder Relais Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung an einer Erregerspule für Schütze oder
Relais, bei denen die Erregerspule zum Anziehen und zum Halten mit unterschiedlicher
elektrischer Energie gespeist wird.
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Beim Betrieb von Schützen oder Relais mit Gleichstrom, wie dieses
insbesondere in Batteriefahrzeugen der Fall ist, tritt eine Reihe von Problemen
auf. Aus preislichen, räumlichen und gewichtsmäßigen Gründen sind die Spulen der
Schütze oder Relais gewöhnlich unterdimensioniert derart, daß sie kurzzeitig eine
gewisse Uberlast, die zum Anziehen erforderlich ist, tragen können. Dadurch werden
diese Bauelemente im erhöhten Maße temperaturempfindlich. Weiterhin steht beim Batteriebetrieb
Energie nicht im beliebigen Umfang zur Verfügung, sondern die in der Batterie gespeicherte
Energie muß wirtschatlich, vorzugsweise fiir den eigentlichen Antrieb verbraucht
werden. Die sowohl beim Anziehen als auch beim Halten in den Spulen auftretende
Verlustwärme muß abgeführt werden, um die Schaltelemente nicht zu überhitzen. Damit
ergibt sich das weitere Problem, daß benachbarte Halbleiterbauelemente, die von
Natur aus wärmeempfindlich sind, vor Uberhitzungogeschützt werden müssen. Man hat
dieses Problem bisher dadurch gelöst, daß man an dem Schütz bzw. Relais einen Hilfskontakt
vorgesehen hat, der nicht nur einen räumlichen und preislichen Aufwand mit sich
brachte, sondern auch gegebenenfalls zu schnell funktionierte, um das volle Anziehen
des Schützes abzuwarten. Dieser Hilfskontakt hatte die Aufgabe, einen Vorschaltwiderstand
vor die Spule zu legen, der den Haltetrom auf einen kleinen Wert herabsetzte, aber
auch seinerseits zur Verlustleistung beitrug.
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Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, mit geringen räumlichen
Mitteln eine Verminderung der thermischen Verlustleistung im Haltezustand ohne den
Aufwand eines zusätzlichen Widerstandes und eines Hilfskontaktes zu bewirken. Damit
kann der räumliche Aufwand klein gehalten werden. Weiterhin wird die Belastung der
Batterievermindert, die Wärmeentwicklung unterdrückt und die in der Nähe befindlichen
Halbleiterelemente werden in ihrer Funkonsfähigkeit nicht beeinträchtigt.
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Demgemäß ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Schaltung
an einer Erregerspule für Schütze oder Relais für Gleichstrombetrieb mit zwei oder
mehreren Spulenwicklungen. Erfindungsgemäß wird zugleich mit dem Einschalten der
BetriebSspannung ein RC-Glied aufgeladen, dessen Zeitkonstante größer ist als die
Anzugszeit des Schützes oder Relais und der Ladestrom des RC-Gliedes schaltet einen
ersten Transistor leitend, dessen Kollektor-Emitter-Strom mittelbar oder unmittelbar
für die Dauer der Zeitkonstante entweder den Erregerstrom durch einen zum Anzug
ausreichenden Teil der im übrigen in Reihe liegenden Wicklungen hindurch und um
den anderen Teil der Wicklungen herumführt oder zwei oder mehrere Transistoren leitend
schaltet, die in einer Serien-Parallel-Schaltung, die Wicklungsteile parallel schaltet.
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In einer ersten Ausführungsform mit in Reihe liegenden Wicklungen
ist erfindungsgemäß der vom Erregerstrom durchLlossene Teil der Wicklungen nach
Innenwiderstand und Windungszahl so bemessen, daß er bei Anliegen der Speisespannung
die zum Anzug erforderliche niagnetische Erregung aufweist, während der übrige Teil
der Wicklungen nach Innenwiderstand und Windungszahl so bemessen ist, daß die Gesamtheit
der Wicklungen bei Anliegen der Speisespannung die zum Halten erforderliche magnetische
Erregung erreicht.
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Das Prinzip der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform
ist
in Figur 1 dargestellt. Wie in den anderen Figuren auch, ist das hier gezeigte Ausführungsbeispiel
zum Teil schematisch dargestellt. Mit 1 und 2 sind die beiden Teile der Spulenwicklung
bezeichnet, wobei der Teil 1 nach Innenwiderstand und Windungszahl ausreicht, um
bei Anliegnn der Betriebsspannung den Anzug zu ermöglichen. Sind beide Teile der
Wicklung in Reihe geschaltet, sind sie nach Innenwiderstand und Windungszahl derart
dimensioniert, daß sie die zum Halten des Ankers erforderliche magnetische Erregung
aufweisen. Bei Anliegen der Speisespannung wird das aus der Kapazität 3 und dem
Widerstand 4 bestehende RC-Glied über die Basis Emitterstrecke des Transistors 5
aufgeladen. Der durch die Basis-Emitterstrecke fließende Ladestrom für das RC-Glied
schaltet den Transistor 5 leitend, so daß der Erregerstrom aus der Spannungsquelle
über die Wicklung 1 und die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 5 die Wicklung
2 umgeht. Sobald das RC-Glied aufgeladen ist, schaltet der Transistor 5 auf nichtleitend
und die beiden Spulenteile 1 und 2 werden in Reihe an die Speisespannun-g gelegt.
Die in Serie mit den Wicklungen 1 und 2 liegende Diode 6 hat die Aufgabe, ein Kurzschließen
der Wicklung 2 über den Transistor 5 zu verhindern und damit den Sekundärfluß in
dem Spulenteil 2 zu unterdrücken. Die Dioden 7 und 8, die parallel zu den Wicklungsteilen
1 bzw. 2 liegen, haben als Freilauf-Dioden die Aufgabe, die magnetisch gespeicherte
Energie beim Abschalten abzubauen. Die Diode 9 bewirkt beim Abschalten ein beschleunigtes
Entladen des Kondensators 3 und damit die schnelle Wiederherstellung der Einschaltbereitschaft.
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Ist in Figur 1 das Prinzip dargestellt, so zeigt Figur 2 eine funktionsfähige
Ausführungsform, wobei identisch funktionierende Bauelemente mit den gleichen Bezugsziffern
versehen sind, wie in Figur 1. Bei der dargestellten
Ausführungsform
schaltet der Ladestrom des RC-Gliedes 3,4 den Transistor 10 leitend und damit auch
den Transistor 11. Die Funktion des weiteren RC Gliedes 12, 13 wird weiter unter
erläutert.
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Zu den in Figur. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen ist ergänzend
auszuführen, daß die Spulen l und 2 auch in mehrere Teilwicklungen unterteilt sein
können. Bei den gezeigten Ausführungsformen können beide Spulenteile optimal dimensioniert
werden1 wodurch zwar ein größerer Wicklungsaufwand erforderlich wurde, jedoch der
elektronische Aufwand verhältnismäßig klein gehalten werden konnte. Der Transistor
10 hat die Aufgabe, zur Erhöhung des Erregerstromes beizutragen, ohne den Ladestrom
für das RC-Glied überflüssig zu erhöhen und damit dessen Zeitkonstante zu vermindern.
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Ist der räumliche und materille Aufwand für die in Figur 1 und 2 dargestellten
Spulen aus irgendeinem Grunde nicht möglich, so können gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung die Wicklungsteile in Serien-Parallel-Schaltung schaltbar angeordnet
werden. Gemäß der Erfindung liegt zwischen benachbarten Wicklungen jeweils eine
in Richtung der Speisespannung gepolte Diode und je ein Pol der Speisespannung wird
entweder über einen Transistor mit nachgeschalteten Dioden oder über einen Transistor
für jede Wicklung an je ein Ende jeder Wicklung gelegt.
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Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der im vorstehenden Absatz beschriebenen
Ausführungsform. Hier sind zwei Wicklungen 14 und 15 enthalten, die im übrigen gleich
ausgebildet sind und zwischen denen eine Diode 16 in Flußrichtung der Speisespannung
gepolt in Serie geschaltet ist. Das RC-Glied 17, 18 schaltet mit seinem Aufladestrom
den Transistor 19 leitend, der nun -seinerseits die Transistoren 20 und 21 leitend
steuert.
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Der Transistor 20 hat die Aufgabe, in durchgesteuertem
Zustand
das in der Zeichnung obere Ende der Spule 15 an Plus zu legen, während das in der
Zeichnung obere Ende der Spule 14 ohnehin an Plus liegt. Entsprechend hat der leitend
geschaltete Transistor 21 die Aufgabe, das in der Zeichnung unten liegende Ende
der Spule 14 an Minus zu legen, während das untere Ende der Spule 15 ohnehin an
Minus liegt. Die Diode 16 verhindert einen Kurzschluß zwischen dem Kollektor des
Transistors 20 und dem Kollektor des Transistors 21. Die Dioden 22 und 23 wirken
als Freilauf-Dioden für die Wicklungen 14 bzw. 15, während die Diode 24 beim Abschalten
zu einer schnellen Entladung der Kapazität 17 beiträgt.
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Sobald das RC-Glied 17, 18 aufgeladen ist, werden sämtliche Transistoren
nichtleitend. Auf diese Art sind dann die Spulen 14 15 mit der dazwischenliegenden
Diode 16 in Serie geschaltet und reichen aus, um die zum Halten erforderliche magnetische
Energie aufzubringen. Die Funktion des weiterhin dargestellten RC-Gliedes 25, 26
wird weiter unten bèschrieben.
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Unter Verzicht auf dazu nicht erforderliche Einzelheiten ist in Figur
4 dargestellt, wie ein aus drei Wicklungen bestehendes Spulen system auf unterschiedliche
Weise in Serie und parallel geschaltet werden kann. Die drei im übrigen gleich dimensionierten
Spulenwicklungen 27, 28 und 29 liegen in Serie, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten
Wicklungen eine Diode 30 bzw. 31 in Flußrichtung der Speisespannung gepolt zwischengeschaltet
ist. Das Parallelschalten der Spu lenteile 27, 28 und 29 kann nun auf zwei verschiedene
Weisen geschehen. Wie in dem unteren Teil der Figur 4 dargestellt, steuert ein Transistor
32 den Transistor 33 leitend durchf, der jeweils die unteren Enden der Spulenteile
27 und 28 an Minus legt, während das untere Ende der Spule 29 ohnehin an Minus liegt.
In dieser Form führt der Transistor 33 lediglich den Erregerstrom
für
die Wicklungen 27 und 28, d. h. allgemeiner gesprochen, wenn n Wicklungen vorhanden
sind, führt der Transistor 33 den Erregerstrom für n - 1 Wicklungen.
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Das gleiche System könnte selbstverständlich auch für das Anliegen
der positiven Spannung an die jeweils oberen Enden der Wicklungen 28 und 29 verwendet
werden.
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Hierfür ist jedoch in Figur 4 die andere Möglichkeit dargestellt,
daß der Transistor 32 die Transistoren 34 und 35 leitend schaltet, die den Pluspol
der Speisespannung an die jeweils oberen Enden der Spulen 28 und 29 legen. Hierbei
führt also jeder der Transistoren 34 und 35 nur den Strom für eine Wicklung, allgemein
gesprochen, bei n Wicklungen wären n - 1 Transistoren in jeder Seite erforderlich,
von denen jeder den i/n Teil des Gesamterregerstroms führen muß. Aus dieser Figur
ist ohne weiteres zu erkennen, daß die Wicklungen auch in mehr als drei Teile aufgeteilt
werden können und für das Parallelschalten sowohl zweimal die im oberen Teil der
Figur dargestellte Ausführungsform mit mehreren Transistoren oder zweimal die im
unteren Teil der Figur dargestellte Ausführungsform mit einem Transistor und mehreren
Dioden verwendet werden kann.
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Es kann auch, wie dargestellt, für den einen Pol die eine Ausführungsform
und für den anderen Pol die andere Ausführungsform gewählt werden.
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Der besondere Vorteil der in Figur 3 und 4 dargestellten Ausführungsform
ist darin zu sehen, daß sowohl zum Anziehen als auch zum Halten stets der ganze
zur Verfügung stehende Wickelraum ausgenutzt werden kann, während in dem Ausführungsbeispiel
nach Figur 2 zum Anzug nur die Wicklung 1 verwendet wird, die im übrigen durch die
erforderliche Dimensionierung der Spule 2 zum Halten kaum beiträgt. Diesem Vorteil
steht bei der Ausführungsform nach Figur 3 jedoch ein erhöhter elektronischer Aufwand
gegenüber.
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Welche der beiden Ausführungsformen gewählt wird, hängt
also
im wesentlichen von dem zur Verfügung stehenden Wickelraum und von den Kosten der
jeweils erforderlichen elektronischen Bauelemente ab.
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Um den Übergang von der Anzugphase zur Haltephase möglichst abzukürzen,
ist bei Ausführungsformen mit mindestens zwei Transistoren in der erfindungsgemäßen
Schaltung vorgesehen, daß parallel zu dem die Durchsteuerung des ersten Transistors
bewirkenden RC-Gliedes ein weiteres über den Kollektor des zweiten Transistors parallel
geschaltetes RC-Glied aufgeladen wird, das infolge der mit dem Ablauf der Zeitkonstante
des durchsteuernden RC-Gliedes verbundenen nachlassenden Durchsteuerung durch Potentialverschiebung
im Sinne einer abrupten Unterdrückung der Durchsteuerung auf die Basis-Emitterstrecke
des ersten Transistors einwirkt.
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Die betreffenden RC-Glieder sind in Figur 2 mit 12, 13 und in Figur
3 mit 25, 26 bezeichnet. Nähert sich die Aufladung des durchsteuernden RC-Gliedes
ihrem Ende, so kann der für die völlige Durchsteuerung der Transistoren 10 und 11
erforderliche Basisstrom nicht mehr aufgebracht werden. Sobald das Potential am
Kollektor des Transistors 11 über die Sättigungsspannung ansteigt, wird die Aufladung
des Kondensators 3 über das RC-Blied 12, 13 beschleunigt vollendet, so daß die Durchsteuerung
der Transistoren 10 und li abrupt unterbrochen wird.
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In Figur 3 wirkt das RC-Glied 25, 26 mit Bezug auf den Transistor
19 bzw. das Kollektorpotential des Transistors 21 entsprechend, und es werden alle
drei Transistoren abrupt nichtleitend geschaltet.