DE2311821A1 - Regelschaltung zum schutz einer durch einen elektromotor betriebenen kuehlanlage - Google Patents

Regelschaltung zum schutz einer durch einen elektromotor betriebenen kuehlanlage

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DE2311821A1
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Description

Dr. kg. H. Negondanle
Dipl. Ing.H. Hauch: - Diel Prtys. W. Schmitt
Dipl. Ing. E. Graalf s - Dipl. Ing. v/.Wehnerf
S München 2, Mozarisiraße 25
Telefon 5 38 OS 86
Borg-Warner Corporation
200 South Michigan Ave.I■- ' 5. März 1975 : Chica Anwaltsakte M-2549
Regelschaltung zum Schutz einer durch einen Elektromotor betriebenen Kühlanlage
In der Kühltechnik dienen Kompressoren im allgemeinen zur Erhöhung der Temperatur und des Drucks des gasförmigen Kühlmittels, j bevor dieses in den Kondensator zur Ableitung der Wärme von der Anlage gelangt. Bei einem hermetisch dichten Kompressor befindet sich der Motor im allgemeinen im Oberteil des Gehäuses und ist ! durch eine Welle mit dem Kompressor selbst im unteren Teil des Gehäuses gekuppelt. Im Boden des Gehäuses kann sich ein ölsumpf befinden, welcher mit der Welle in Berührung steht und für die Schmierung der Antriebseinrichtung sorgt. Wenn jedoch das Kühlmittel in den Unterteil des Gehäuses gelangt und damit den Flüssigkeitspegel erhöht, dann kann Flüssigkeit in die Zylinder des Kompressors gelangen und diesen beschädigen. Zum Schutz gegen solch einen hohen Flüssigkeitspegel in Kompressoren (oder im Sammelbehälter oder einem anderen Teil der Anlage) wurden verschiedene Vorrichtungen entwickelt, von denen jedoch keine einwandfrei arbeitet« -2-
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Die Aufgabe der Erfindung besteht-somit darin,- eine-Sehntζanordnung für einen Kompressor gegen hohen Flüssigkeitspegel zu schaf-■.-fen, die wirtschaftlich i\x bauen ist und die beim Abtasten des hohen Flüssigkeitspegels den Erregerkreis des Elektromotors schnell
; unterbricht. Weiter soll erfindungsgemäß eine Schutzanordnung ge-
; schaffen werden, die bei zu hohem Flüssigkeitspegel dann arbeitet,
wenn die Anlage angeschaltet wird, um eine Anschaltung des Elek- : tromotors zu verhindern.
Die Erfindung umfaßt eine Regelschaltung zum Schutz einer Kühlanlage mit einem Elektromotor. Die Anlage enthält ein Gehäuse zur ■ Aufnahme der Flüssigkeit in seinem Unterteil, die mindestens teilweise ein Kühlmittel enthält. Die Regelschaltung umfaßt einen Spannungsteiler mit einem Widerstand, der über eine gemeinsame' Klemme an einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten geführt ist. Dieses Bauteil ist im Gehäuse oberhalb des vorgegebenen Flüssigkeitspegels eingebaut. Ober zwei Leitungen liegt eind Wechselspannung am Spannungsteiler an. Mit einer der Leitungen ist! ein Gleichrichter verbunden, und die Wicklung eines Gleichstrom- , relais ist zwischen diesem Gleichrichter und die andere Leitung geschaltet. Ein Kontaktsatz des Relais ist so geschaltet, daß es die Energieübertragung an den Elektromotor regelt. Ein erster \ Halbleiterschalter mit einem Eingang, einem Ausgang und einem j Toranschluß ist parallel zur Relaiswicklung geschaltet. Um eine Stmergleichspannung am ersten Halbleiterschalter aufrecht zu erhalten, befindet sich ein Filterkondensator zwischen dem Gleichrichter und der anderen Leitung. Zwischen den Toranschluß des erj sten Halbleiterschalters und der gemeinsamen Klemme des Spannungs-
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tellers ist ein Stromkreis mit einem zweiten Halbleiterschalter gelegt. Dieser gibt ein Ansteueruiigssignal an den ersten Halbleiterschalter in Abhängigkeit von der Impedanzänderung des Widerstandes mit negativem Temperaturkoeffizienten ab, wobei die Impedanzänderung durch die Berührung mit der ein Kühlmittel enthaltenden Flüssigkeit bewirkt wird, wenn diese einen bestimmten Pegel im Gehäuse überschreitet und beim Verdampfen des Kühlmittels im Widerstand abkühlt.
Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungsxtfesentlicher Bedeutung sein. In den Zeichnungen ist:
Fig. 1 ein Blockschaltbild, das die Eingliederung der erfindungsgemäßen Regelschaltung in die Erregervorrichtung eines motorbetriebenen Kompressors zeigt;
Fig. 2 der Stromlaufplan mit den Einzelheiten der allgemein in Fig. 1 dargestellten Regelschaltung.
Fig. 1 zeigt die allgemeine Anordnung zur Betätigung des Kompres-
sors 10. Von einer herkömmlichen Spannungsquelle . (nicht gezeigt) ; liegt auf den Leitungen 11a, 11b und 11c eine Dreiphasenspannung am Regler 1Z an. Die Spannung des einen Phasenkreises wird über die Leitung 13 an den Spannungsregler 14 geführt; natürlich stellt die Linie 13 zwei Leitungen dar, doch aus Gründen der Einfachheit der Erläuterung ist nur eine einzelne Linie gezeichnet. Diese Spannung gelangt dann über die Leitung 15 an den Kompressorreg-
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ler 16, an dem auch ein Steuersignal von der Leitung 17 her anliegt. Das Steuersignal kann das Signal für die Temperatur eines ! Thermostaten sein. Das Ausgangssignal der Regelschaltung 16 ge- · langt aufder Leitung 18 an die Steuerschaltung 20 für den Flüssigkeitspegel.
Erfindungsgemäß ist der Thermistor 21 im Kurbelgehäuse des Kompressors 10 über dem Bezugspegel 41 angeordnet, der die normale
Oberfläche de.r Flüssigkeit 22 darstellt, die Öl und ein Ktihlmit- I tel enthält. Unter Normalbedingungen, d.h. wenn kein zusätzliches | Kühlmittel nach unten entweicht und den Pegel des Kühlmittel-öl- J gemisches erhöht, bleibt der Flüssigkeitspegel unter den Bezugs- j pegel 41. Das Signal des Thermistors 21 gelangt auf der Leitung j 23 an den Steuer- oder Überwachungskreis 20 für den Flüssigkeits--I pegel. Das Ausgangssignal des Kreises 20 wird auf der Leitung 29 zum Regler 12 geführt. Wenn die Öl-Kühlmittelflüssigkeit den Pegel 41 übersteigt j dann stellt dies eine gefährliche und nicht erwünschte Situation dar, weil die Flüssigkeit in die Zylinder des Kompressors eindringen und diesen beschädigen kann. Wenn der Flüssigkeitspegel im Kompressor 10 niedriger ist als der Thermistor 21, dann schließt der Regler 12 einen Kreis, wodurch die Spannung über die Leitungen 40a, 40b und 40c zur Erregung des Motors 10a im Oberteil des Kompressoraggregats weitergeleitet wird. Somit arbeitet die Überwachungsschaltung 20 für den Flüssigkeitspegel nicht zur An- und Abschaltung des Kompressors selbst, sondern regelt die Funktion des Reglers 12, wobei sie mit dem Signal des Kompressorreglers 16 in Reihe geschaltet ist·
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Nach dieser Übersicht über die Erfindung wird anhand der Fig. 2 die Überwachungsschaltung 20 für den Flüssigkeitspegel näher beschrieben.
Der einfacheren Übersicht wegen ist der Thermistor 21 in Fig. 2 in die Überwachungsschaltung 20 gelegt, obwohl er körperlich nach der allgemeinen Darstellung der Fig. 1 im Kurbelgehäuse des Kompressors 10 angeordnet ist. Elektrisch ist der Thermistor 21 über die gemeinsame Klemme 24 an die Impedanz 25 gekoppelt. In Fig. 2 ist die Impedanz 25 als Widerstand gezeigt, der zusammen mit dem Thermistor 21 zwischen den Leitungen 18a und 18b einen Spannungsteiler bildet, wobei die Wechselspannung auf diesen beiden Leitun4
gen der Überwachungsschaltung 20 zugeführt wird. Eine andere '
Reihenschaltung zwischen den Leitungen 18a und 18b umfaßt den ! Thermostaten 26, die Diode 27,den Widerstand 28 und die Relais- ] wicklung 42. Die Relaiswicklung 42 mit ihrem zugeordneten Kontakt-f satz 43 gilt als Schalteinrichtung zur Regelung der Abschaltung des Kompressormotors, wenn der Zustand eines zu hohen Flüssigkeitspegels abgegriffen wird.
Parallel zur Relaiswicklung 42 ist eine Reihenschaltung gelegt, ! die aus dem Strahler 31 und dem ersten Halbleiterschalter 32 besteht. Für den Strahler 31 wurde eine Leuchtdiode gewählt, da diese eine Sichtanzeige für den Stromfluß bieten und nur einen sehr kleinen Spannungsabfall, gewöhnlich weniger als 2 V, aufweisen. Herkömmliche Anzeigelämpchen (wie Glühbirnen), an denen ein Spannungsabfall von mehreren Volt auftritt, können für die Schaltung nicht geeignet sein, da die Bauteile 31 und 32 die
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Wicklung 42 effektiv kurz schließen müssen, wenn der Schalter 32 durchsteuert. Der Schalter 32 kann ein Thyristor (Siliziumgleichrichter) oder ein anderer geeigneter Schalter mit einem Eingang, einem Ausgang und einem Diodengatter sein. Der Eingang und der Ausgang sind mit dem Bauteil 31 in Reihe geschaltet. Der Gatteranschluß des Schalters 32 ist über die aus dem Widerstand 33, dem zweiten Halbleiterschalter 34, der Diode 35 und dem Widerstand 45 bestehende Reihenschaltung an die gemeinsame Klemme 24 geführt. Der zweite Schalter 34 kann ein weiterer Thyristor seir. dessen Gatter über den Widerstand 46 mit der Leitung 18b verbunden ist. Zwischen die Anode und das Gatter des zweiten Schalters 34 ist die Zenerdiode 47 geschaltet. Zwischen die Kathode des Schalters 34 und den Leiter 18b ist der Widerstand 36 gelegt· |
Der Kondensator 37 ist zwischen dem Widerstand 45 und der Leitung: 18b angeordnet und vervollständigt das RC-Filter 45 und 37 zum Schutz gegen Rauschen und andere Einschwingstöße, die sonst eine \ unbeabsichtigte Zündung des Thyristors 32 auslösen könnten. Zwischen die Diode 27 und die Leitung 18b ist ein zweiter Filterkondensator 38 geschaltet, um die Gleichspannung der Diode 27 zur Erregung der Gleichspannungs-Relaiswicklung 42 zu filtern, sowie auch um den ersten Thyristor nach dem Anschalten durchgesteuert zu halten. Zur Erläuterung der Betriebsweise sei zunächst angenommen, daß der Flüssigkeitspegel des Öl-Kühlmittelgemisches unter den Bezugspegel 41 liege, sowie das über die Leitungen 11a-11c und 18a sowie 18b eine Wechseleingangsspannung an der in Fig. gezeigten Überwachungsschaltung 20 anliege. Diese Wechselspannung durchläuft den Thermostaten oder Schalter 26 und wird durch die Diode 27 gleichgerichtet, um zur Erregung der Relaiswicklung 42 i
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,und zum Schließen des Kontaktsatzes 43 eine Gleichspannung abzugeben. Dadurch wird wiederum die RelaiswicÜing 30 beaufschlagt, ^iodurch der Kontakt 44 schließt und den Strompfad zxtfischen den Leitungen 11a und 40a schließt. Weitere Kontaktgruppen (nicht ge- !zeigt) schießen in gleicher Weise die Kreise zwischen 11b und 40b ι sowie 11c und 40c. Jetzt ist der Strompfad zur Erregung des Motors jund Betätigung des Kompressors geschlossen.
Ebenfalls liegt jetzt auch eine Wechselspannung am Spannungsteiler mit dem Widerstand 25 und dem Thermistor 21 an. Der Thermistor wirktals Eigenheizung. Er kann als Heizkörper betrachtet werden, der Wärme in das Innere des Kurbelgehäuses des" Kompressors abstrahlt. Wenn sich der Thermistor erwärmt, dann verringert sich sein Wirkwiderstandswert, so daß der größte Teil der am Spannungsteiler anliegenden Spannung auch am Widerstand 25 erscheint. Die am Thermistor 21 anliegende Spannung ist genügend niedrig, so daß die positiven Spitzen der über die Diode 35 laufenden Spannung nicht ausreichen, um einen Impuls über die Zenerdiode 47 an das Gatter des Thyristors 34 weiterzugeben. Bei abgeschaltetem !Thyristor 34 wird das Tor des Thyristors 32 nidit angesteuert, wobei die Relaiswicklungen 42 und 30 erregt und der Kontaktsatz 44 geschlossen bleibt.
Nun sei angenommen, daß Kühlmittel in den unteren Teil des Kompressorgehäuses eindringt und damit den Flüssigkeitspegel gentiigend anhebt, um mit dem Thermistor 21 in Berührung zu kommen, wobei es eine gute Wärmeableitung für den Thermistor bildet. Das heißt, das Kühlmittel verdampft und sorgt somit füreine
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gute Wärmeabieiterverbindung. Diese Wärmeableitung durch Verdampfung ist der Wärmeableitung durch eine nicht verdampfende Flüssigkeit überlegen, welche mit dem Thermistor in Berührung kommt. Einsichtiges erfindungswesentliches ι ferkmal besteht in der schnellen Abkühlung infolge der Kühlmittelverdampfung auf dem eigen-erwäriaten Thermistor mit der darauf folgenden schnellen Umschaltung im Überwachungskreis für den Flüssigkeitspegel. Bei der raschen Abkühlung des Thermistors erhöht sich seine Impedanz schnell, und es erhöht sich auch entsprechend der Spannungsabfall am Thermistor. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ergab
! sich eine Erhöhung von etwa 4V ohne Berührung mit dem Öl-Kühlmittelgemisch auf etwa 10V mit Berührung mit der Öl-Kühlmittel- ] flüssigkeit, unddieser Spannungsanstieg genügte, um Impulse an • die Zenerdiode 47 weiterzuleiten und den Thyristor 34 anzuj steuern. Solange die Flüssigkeit im Kurbelgehäuse des Kompressors nur öl enthielt, trat in dieser Überwachungsschaltung ein Regelsignal von nur einigen wenigen Volt auf. Jedoch bei einem Gemisch aus öl und Kühlmittel liegt das Regelsignal in der Größen-Ordnung von 10V, und dio Beaufschlagung der Schaltung erfolgt sehr rasch und eindeutig.
, Stromimpulse gelangen von der Klemme 24 über den Widerstand 45, die Diode 35 sowie die Zenerdiode 47 an das Gatter des zweiten Thyristors 34 und steuern diesen schnell durch. Wenn der Thyristor 34 durchsteuert, dann fließt Strom über den Widerstand 33 an den Gatteranscaluß des Thyristors 32« Damit wird der Thyristor 32 schnell angesteuert und schließt die Relaiswicklung kurz, wodurch sich der Kontaktsatz 43 öffnen kann und den Er-
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regerkreis der Wicklung 30 unterbricht, wodurch auch die Haupterregerschaltung für den Kompressormotor 10a unterbrochen wird.Wenn Strom über den Thyristor 32 fließt, dann wird die Leuchtdiode 31 beaufschlagt und gibt eine Sichtanzeige für den hohen Flüssigkeitspegel ab. Somit erkennt man, daß der Kompressor abgeschaltet : worden ist.
: Auch die Filtervrirkung des Kondensators 38 in Verbindung mit der j durch die Diode 27 abgegebenen gleichgerichteten Spannung ist erj findungswesentlieh. Durch Aufrechterhaltung eines entsprechenden
: Gleichspannungspegels gelangt genügend Erregerspannung an die Korn-*
bination Leuchtdiode-Thyristor, so daß der Thyristor 32 angesteuert bleibt, nachdem er über den Thyristor 34 angeschaltet j worden ist. Dies ist insofern von Bedeutung, als die fortgesetzte Durchsteuerung des Thyristors eine unerwünschte Erregung oder ein unerwünschtes Kontaktprellen des Relais mit der Wicklung 42 verhindert. Ferner ist auch die Stromstoßwirkung des Relais j
von Bedeutung» Durch Reihenschaltung des Haltekontakts 43 mit j
j der Relaiswicklung 30 wird für einen Schutz gegen unbeabsich- !
tigtes Anlassen oder Anschalten der Anlage gesorgt. Bei dieser j
Einklink- oder Stromstoßanordnung kann sich die Anlage nicht > selbst anlassen, und der Schalter 26 (der ein Thermostat sein
kann) muß betätigt werden, um den Thyristor 32 zu sperren und j
die Schaltung auf dan nächsten Arbeitsgang vorzubereiten. =
Auch die Wärmeableitung durch Verdampfung, wenn das Kühlmittel
mit dem Thermistor in Berührung kommt, ist erfindungswesentlich, i
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Dadurch erfolgt eine erhebliche Impedanz änderung mit der-ehtspre-' chend großen Änderung der am Thermistor gebildeten Signalspannung» Diese große Änderung der Signal- oder Regelspannung genügt einerseits, alle durch Änderungen der Umgebungstemperatur bewirkten Schwankungen zu überwinden und andererseits durch Schwankungen in der Stromversorgung hervorgerufene Sp annungs änderungen weitgehend herabzusetzen.
i
Zur Neuanschaltung der Anlage wird der Thermostatschalter 26 kurzzeitig geöffnet, um den Strom im Thyristor 32 zu unterbrechen» Für den leichten Zugang zur Neuanschaltung der Anlage kann der Thermostat im überwachten Raum mit einem eigenen Schalter ver-
! sehen sein* Bei Geräten ohne Schalter kann die Skala des Thermostaten soweit verdreht werden, daß sich daraus eine Unterbrechung des Schaltkreises ergibt. Die Verwendung eines Schalters in Verbindung mit den Thermostaten ist vorzuziehen, da eine Betätigung des Schalters die Einstellung am Thermostaten für die Raumtemperatur nicht verändert. Angenommen, das öl-Kühlmittel- ; gemisch stehe nicht in Berührung mit dem Thermistor 21, dann er- ■
j reicht dieser einen genügend niedrigen Wirkwiderstandswert, wenn der Schalter 26 den Stromkreis wieder schließt, so daß das Gatter des Thyristors 34 nicht angesteuert wird und der Thyristor 32 abgeschaltet bleibt. Daher wird die Relaiswicklung 42 wieder erregt und schließt den Kontaktsatz 43, beaufschlagt die Wicklung
' 30 und schließt den Energieübertragungskreis für den Kompressor, j Wenn jedoch der Thermistor 21 noch immer durch die Ableitung der ; Verdampfungswärme gekühlt wird, dann schaltet der Thyristor 34 unmittelbar dem Thyristor 32 an, um eine Inbetriebnahme des Kom-
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pressormotors 10a zu verhindern* Natürlich ist dies ebenso der Fall, vrenn der Thermistor 21 vor dem Anschalten und Anlaufen der Anlage mit den t'l-Kühlmittelgemisch in Berührung steht und abgekühlt -wird.
Um die Erfindung ohne viele eigene lixperiemente benützen zu können, ist nachstehend eine Tabelle der technischen Daten und der Kennzeichnungen der Bauteile gegeben. Bei dieser Anordnung und einer verhältnismäßig niedrigen lie chs el spannung (24 V) auf den Leitungen 18a und 18b bewirkte eine Beaufschlagung der Pelaisiiicklung 30 eine Steuerung der 22CV-3-Phasenspannung für den Kompressormotor. Es sei betont, daß diese Werte lediglich als Beispiel dienen und nicht als Grenze für die Erfindung.
Bauteil Kennzeichnung der Daten
21 O25-17358A
32,34 C103YY
47 1N573OB (5,6 V)
31 ED123
27 OF194
35 1N4148
37 O.56,u F, 75 V
38 20 ,uF, 50 V
25 100 0hm, 1 W
2 8 2K Ohm, 1 Vi
33 2K Ohm, 5?.
36 ' 390 Ohm, 5? u
45 560 Ohm
/H> 1K Ohm
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Außer dem vorstehend beschriebenen Ausf>lhrung.sheispiel sind noch weitere möglich, ohne den Pahmen der Erfindung zu verlassen.
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Claims (4)

  1. Dr. Ing. H. Negsndank
    Dipl. Ing. H. Hsu-Λ - Dioi. Frr/s. W. Schmitt
    DIpI. Ing. E. GraeH. - Γί;?|. (ng. VV. Wehnert
    8 München L1 LVs jzarEsirafle 23
    Telefon 5330586
    Borg-Warner Corporation
    South Michigan Ave. 5. März 1973
    Chicago, 111. 60604,USA Anwaltsakte M-2549
    Patentansprüche
    ι
    ί 1.)Überwachungsschaltung zum Schutz eines durch einen Elektromotor angetriebenen Kühlkompressors mit einem Gehäuse, in dessem Unterteil Kühlmittel und Π1 bis zu einem vorgegebenen Pe^eI enthalten sind, gekennzeichnet durch: Einen Spannungsteiler (21,25) mit einem Widerstand (25), der über eine gemeinsame Klemme (24) an einen Thermistor (21) mit negativem Temperaturkoeffizienten gekoppelt ist und der im Kompressorgehäuse über dem gegebenen Flüssigkeitspegel angeordnet ist, durch zwei Leitungen (18a, 18b) zum Anlegen einer Wechselspannung an den Spannungsteiler (21,25), durch einen mit eine der Leitungen (18a) verbundenen Gleichrichter (27), sowie durch ein Gleichstromrelais (42,43), dessen Wicklung (42) zwischen den Gleichrichter (2 7) und die andere Leitung (18b) geschaltet ist und dessen Kontaktsatz (43) in den Strompfad des Elektromotors gelegt ist, ferner durch einen Halbleiterschalter (32) mit einem Eingang, einem Ausgang und einem Gatteranschluß, der parallel zur Relaiswicklung (42) geschaltet
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    ist, um diese kurzzuschließen, ifenn der Halbleiter (32) durchsteuert, sodann durch einen Filterkondensator (38), der zur Aufrecht erhaltung einer Erregergleichspannung am ersten Halbleiterschalter (32) und an der Gleichstromrelaisivicklung (42) zwischen den Gleichrichter (2 7) und die andere Leitung (18b) geschaltet ist, und schließlich durch eine Schaltungsanordnung (33,34,35,45) mit einem zweiten Halbleiterschalter (34), die zwischen den ersten Halbleiterschalter (32) und die gemeinsame Klemme (24) im Spannungsteiler (21,25) gelegt ist, um den ersten Halbleiterschalter (32) anzusteuern, wenn sich die Impedanz des Thermistors (21) erhöht, um eine verstärkte Wärmeableitung durch Berührung mit dem Kühlmittel anzuzeigen.
  2. 2. Überwachungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Halbleiterschalter (34) über eine Diode (35) an die gemeinsame Klemme (24) des Spannungsteilers (21,25) geführt ist sowie dadurch, daß eine Zenerdiode (47) zwischen die Anode
    und das Gatter des zweiten Halbleiterschalters (34) geschaltet ist, um ein Ansteuerungssignal für diesen zweiten Halbleiterschalter (34) abzugeben, der in Abhängigkeit von der Abkühlung des Thermistors (21) und einer Spannungserhöhung an der gemein-« samen Klemme (24) arbeitet.
  3. 3. Überwachungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, \ dadurch gekennzeichnet, daß der erste Halbleiterschalter (32) i ein Silizium^leichrichter (Thyristor) mit einer Anode, einer Kathode und einem Gatteranschluß ist sowie dadurch, daß die
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    Anode und Kathode parallel zur Pelaiswicklung (42) geschaltet s ind.
  4. 4. Überwachungsschaltung nach Anspruch 33 gekennzeichnet durch eine in Reihe mit den Siliziumgleichrichter (32) geschaltete Leuchtdiode (31), um eine Sichtanzeige dafür abzugehen, daß der Siliziumgleichrichter angesteuert wird.
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    Leerseite
DE2311821A 1972-03-15 1973-03-09 Schutzwächterschaltung für einen Kältemittelkompressor Expired DE2311821C3 (de)

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