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Mechanisch-elektrischer Druckwandle r
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Die Erfindung betrifft einen mechanisch-elektrisch arbeitenden Druckwandler
mit einem elektrischen Schalter, in dessen Schaltergehäuse eine Kontaktkammer und
eine Druckmittelkammer sowie eine diese beiden Kammern gas- und feuchtigkeitsdicht
trennende Membran angeordnet sind.
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Aus der DE-OS 27 24 824 ist ein Druckwandler dieser Art bekannt, bei
dem die kreisförmige Membran eine konzentrische Wellenform besitzt und im Mittelpunkt
auf ihrer der Schaltkammer zugekehrten Seite einen angespritzten Schaltnocken trägt,
der zusammen mit der der Kontaktkammer zugekehrten Stirnfläche der Membran sowie
an deren an einem metallischen Gehäuse anliegenden rückwärtigen Randzone mit einem
elektrisch leitenden Überzug versehen ist. Diese Membranbeschichtung steht in leitender
Verbindung mit dem die Druckkammer enthaltenden Schaltergehäuse und baucht sich
beim Erreichen ihres Ansprechdruckes so weit gegen einen einzigen, im Zentrum der
Kontaktkammer isoliert befestigten Kontakt aus, daß der mit der Beschichtung versehene
Nocken in direkte Verbindung mit dem Kontakt gelangen kann. Bei abgewandelten Ausführungsformen
wird mit den an die Membran angespritzten Schaltnocken ein dem zentralen Kontakt
gegenüberstehendes zungenförmiges Kontaktblech dem feststehenden Kontakt genähert.
Ebenso wie die Ausführungsform mit Kontaktzunge ist auch bei der mit einer elektrisch
leitenden Beschichtung versehenen Ausführungsform der Membran die Schwierigkeit
gegeben, daß in der Nähe des Ansprechdruckes eine schleichende Kontaktgabe erfolgt,
welche beim Anschluß von eine hohe
Induktivität aufweisenden und/oder
zu ihrem Betrieb einen hohen Betätigungsstrom benötigenden Verbraucher zu einem
raschen Kontaktabbrand führen kann, der vor allem bei einer elektrischen Beschichtung
der elastomeren Membran rasch zu einer Betriebsstörung führen kant Vor allem bei
Verwendung als Bremslichtschalter auf Fahrzeugen besteht die Schwierigkeit, daß
vom Betätigen des Bremspedals ab der volle Bremsdruck sich erst mit einer gewissen
Verzögerungszeit aufbauen kann. Wenn jedoch der Fahrzeugführer nur sehr kurz das
Bremspedal betätigt, dann wird innerhalb dieser kurzen Zeit nicht der volle Druck
aufgebaut und erreicht dann einen Arbeitsbereich, in welchem die oben geschilderte,
für die Lebensdauer der Kontakte abträgliche schleichende Kontaktgabe entsteht.
Außerdem ist die Schaltgeschwindigkeit bei diesen bekannten Schaltern verhältnismäßig
gering, was zur Folge hat, daß zwischen den Kontakten eine Art Lichtbogen entsteht,
der zu einem raschen Abbrand oder einem Verschweißen der Kontakte führen kann.
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Von diesem Stand der Technik ausgehend stellt sich die Aufgabe, einen
Druckwandler der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß die Kontaktabnutzung
selbst bei kurzzeitiger oder langsamer Beaufschlagung der Membran durch das Druckmittel
vermieden wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die
in ihrem axialen Längsschnitt z.B. als rotationssymmetriscber Hoblkörper ausgebildete
Membran in ihrem Zentrum an ihrer der Kontaktkammer zugekehrten Innenseite mit einem
druckabbängig sich ändernden Widerstand aus z.B. gefüllten Silikonkautschuk oder
Weicb-PVO ausgerüstet ist, der beim Ansprechdruck des Schalters gegen zwei in der
Kontaktkammer isoliert angeordnete Kontakte zur Anlage gebracht wird, und daß im
Schaltergehäuse auBerdem ein Verstärkungstransistor angeordnet ist, der mit einer
seiner beiden Hauptelektroden (Ermitter und Kollektor) mit zwei- vorzugsweise an
der Außenseite des Gehäuses ugänglichen - Anschlüssen verbunden und mit seiner Basis
an einen der beiden Kontakte und mit einer seiner Hauptelektroden an den anderen
Kontakt angeschlossen ist.
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Bei der Berührung der beiden Kontakte nimmt der Widerstandswert des
elektrischen, an der Innenseite der Membran angeordneten Widerstandes innerhalb
eines sehr engen Druckbereiches rasch ab. Dies wird dazu ausgenutzt, den Verstärkungstransistor
harmonisch durchzuschalten.
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Harmonisches Durchschalten bedeutet, daß die in der Basiszone des
Transistors gespeicherte Raumladung nicht sprunghaft, wie bei einem üblichen mechanischen
Kontaktschalter, sondern stetig abgebaut wird. Der Verstärkertransistor schaltet
in der angegebenen Anordnung beim Unterschreiten eines festliegenden Widerstandes
durch, beispielsweise bei einem Widerstandswert von 800 Ohm,und verstärkt den über
die Basis und den Widerstand fließenden Steuerstrom mit einem Verstärkungsfaktor
b, der höher als 750 liegt. Da die Kennlinie des erfindungsgemäßen Schalters sehr
steil auch bei kleinen Drücken verläuft, hat der Schalter einen sehr kleinen Arbeitsbereich,
so daß die Widerstandsänderungen in einem sehr kleinen Druckbereich bleiben, und
außerdem der im elektronischen Verstärker vorhandene Transistor sehr schnell durchgesteuert
und dann im Sättigungsbereich betrieben wird. Aus diesem Grunde tritt kein Abbrand
an den Schaltkontakten auf und auch kein Verschweißen. Der erfindungsgemäße Schalter
hat demgemäß eine hohe Lebendauer.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung-besteht
darin, daß der Schalter im Gegensatz zu den bekannten mechanischen Schaltern kein
Prellverhalten zeigt.
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Prellverhalten bedeutet, daß das eine Schaltelement auf den Gegenkontakt
aufschlägt, zurückfedert und entsprechend der vorhandenen Dämpfung erst allmählich
nach mehrmaliger kurzzeitiger Kontaktgabe auf dem Gegenkontakt zur Ruhe kommt.
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Ein solches Prellverhalten kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung
nicht auftreten, weil der Bereich, in welchem der Verstärker durchschaltetsso eng
begrenzt ist, daß etwa auftretende Schwingungen der Membran sich nicht auswirken
können.
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Bei den zum Stand der Technik gehörenden, eingangs geschilderten Schaltern
sind mechanische Zwischenglieder vorhanden, die bei der erfindungsgemäßen Anordnung
nicht erforderlich sind, und
zwar für Drücke bzw. Druckdifferenzen
in einem sehr großen Bereich von0,01 bis 10 bar.
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Zur Erhöhung der Schaltleistung bei angeschlossenen Verbrauchern mit
großer Induktivität oder sehr niedrigem Kaltwiderstand, wie beispielsweise bei Glühlampen,
kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen werden, daß anstelle eines
einzigen, für niedrigere Schaltleistungen ausreichenden Schalttransistors zwei in
einer Darlington-Schaltung miteinander verbundene Transistoren zwischen den äußeren
Anschlüssen des Schalters liegen. Zum Schutz des Transistors bzw. der Transistoren
gegen induktive Abschaltspitzen kann in bekannter Weise zwischen den Anschlüssen
eine entgegen der Durchlaß richtung des Transistors bzw. der Transistoren stromdurchlässige
Diode vorgesehen werden.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen, druckmittelbetätigbaren,
elektrischen Kleinschalter in einem Längsschnitt durch sein Gehäuse, Fig. 2 in stirnseitiger,
axialer Draufsicht und Fig. 3 ein Schaltbild für den im Schaltergehäuse nach Fig.1
untergebrachten Transistorverstärker.
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Der dargestellte Kleinschalter ist als Bremslichtschalter vorgesehen,
der in Abhängigkeit von dem in den Bremsleitungen herrschenden Druck der Bremsflüssigkeit
schließt und dabei eine in Fig.3 bei L angedeutete Bremslichtleuchte einschaltet.
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Im einzelnen hat der dargestellte Kleinschalter ein aus Metall gespritztes
oder spritzgepreßtes Gehäuseoberteil 1, das mehrere in radialer Richtung abstehende
Kühlrippen 2, einen mit einem Außensechskant 3 versehenen Anschlußstutzen 4 zum
Einschrauben einer nicht dargestellten Bremsleitung und an seinem
unteren
Abschnitt einen ausgedrehten oder ausgesparten, rohrförmigen Hals 5 aufweist.
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Das Oberteil 1 enthält eine mit der nicht dargestellten Anschlußleitung
des Bremssystems verbundene Druckmittelkammer 6 und eine Kontaktkammer 7, die gegen
die Druckmittelkammer 6 hin durch eine elastomere, gummielastische Membran 8 feuchtigkeits-
und gasdicht abgeschlossen und andererseits von einem isolierenden Kunststoffeinsatz
9 begrenzt ist, mit welchem der umlaufende Rand 10 der Membran 8 gegen den Oberteil
1 festgespannt ist.
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Die Membran ist als ein zur gemeinsamen Achse 11 rotationssymmetrischer
Hohlkörper ausgebildet und hat gemäß dem in Fig.1 dargestellten axialen Längsschnitt
eine glockenförmige bis kegelstumpfförmige Gestalt. An seiner gegen den Einsatz
9 hin offenen, inneren Stirnseite der Membran 8 trägt diese einen beispielsweise
durch einen Halbleiterkörper gebildeten elektrischen Widerstand 12, der zwei in
dem Kunststoffeinsatz 9 isoliert gegeneinander befestigten Kontakten 14 und 15 gegenübersteht
und bei steigendem Druck in der Druckmittelkammer 6 von der Membran 8 diesen beiden
Kontakten bis zur Anlage beim Ansprechdruck des Schalters genähert wird.
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In den Hals 5 des Oberteils 1 ist eine Isolierplatte 16 eingesetzt
und mittels eines am freien Ende des Halses 5 umgebördelten Randes 17 befestigt.
Die Isolierplatte 16 trägt zwei von der Außenseite des Gehäuses her zugängliche
Abschlußbolzen 18 und 19, die in ein nicht dargestelltes Buchsenpaar eingeschoben
und dort verrastet werden können.
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Das Oberteil 1 enthält einen in Fig.1 vergrößert wiedergegebenen Hohlraum
20, welcher zur Aufnahme eines Schalttransistors 21 dient. Dieser ist mit seinen
beiden Hauptelektroden, nämlich seinem Emitter 22 und seinem Mehrfachkollektor 23
zwischen den beiden Anschlüssen 18 und 19 angeordnet, wobei seine Basiselektrode
24 mit dem einen, bei 14 angedeuteten Kontakt und
sein Kollektor
23 mit dem anderen Kontakt 15 verbunden ist.
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Zwischen den beiden Anschlüssen 18 und 19 liegt eine Freilaufdiode
25.
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Der Anschluß 18 kann in der in Fig. 3 angedeuteten Weise mit einer
nicht dargestellten Plusleitung des Fahrzeug-Bordnetzes verbunden sein, während
der Anschluß 19 zu einer Bremslichtleucbte L fübrt. Wenn beim Betätigen des nicht
dargestellten Bremspedals des Fahrzeuges der Druck der Bremsflüssigkeit in der Druckmittelkammer
6 ansteigt, wird der Widerstand 12 zur Anlage an den beiden Schaltkontakten 14 und
15 gebracht, wobei sein Widerstandswert mit zunebmendem Anlagedruck åe nach Kontaktwerkstoff
bis auf etwa 100 Ohm fällt.
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Dies bat zur Folge, daß vom Anschluß 18 über den Kontakt 15, den Widerstand
12 und Kontakt 14, zur Basis 24 ein Steuerstrom fließen kann, der stetig zunimmt
und damit den Transistor 21 proportional so durobsabaltet, daß der angeschlossene
Verbraucber z.B. die Bremsleucbte L vollen Strom bekommt.
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Der druckabhängige Widerstand 12 kann aus gefülltem Silikonkautschuk
oder aus gefülltem Polyvenychlorid bestehen.
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Diese erfindungsgemäße Ausbildung des Schalters bringt den Vorteil
mit sich, daß die Membran 8 in einfacher Weise in ihrem axialen Längsschnitt trapez-
oder glockenförmig gestaltet werden kann, der die Kontaktbrücke für die Kontakte
14 und 15 bildende Widerstand 12 in einfacher Weise durch eine leitfähige Schicht
an der Innenseite der Membran oder durch ein leitfäbiges gontaktplättcben aus Silikonkautschuk
hergestellt werden kann, und daß die als Dichtelement wirkende Membran infolge ihrer
Eigenelastizität keine zusätzlichen Mittel zur Erzeugung einer Rückstellkraft benötigt.
Außerdem sind keine Zwischenglieder zur Betätigung der Kontakte 14 und 15 erfoderlich.
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Um sehr große Ströme scbalten zu können, wie dies beispielsweise beim
Einschalten von kalten Glühlampen der bei L angedeuteten Art der Fall ist, kann
in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise der Transistor 21 durch einen Vorstufentransistor
26 zu einer Darlington-Schaltung erweitert werden. Das charakteristische Kennzeichen
einer solchen Scbaltung bestebt darin, daß beide Transistoren an ibren Kollektoren
23 und 27 direkt miteinander verbunden sind,,während der Emitter 28 des Vorstufentransistors
26 zusammen mit der Basis 24 des Haupttransistors 21 am Abgriff eines aus zwei etwa
gleich großen Widerständen 30 und 31 gebildeten Spannungsteilers liegt, der einerseits
mit der Basis 32 des Vorstufentransistor 26 und andererseits mit dem Emitter 22
des Haupttransistors 21 sowie mit dem Anschlußbolzen 18 und der angeschlossenen
Glühlampe L verbunden ist.
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Bei dem in Fig. 3 wiedergegebenen Schaltbild ist der druckabhängige
Widerstandswert des Widerstandes 12 bzw. eines entsprechenden Kontaktplättcbens
durch das Symbol einen veränderberen Widerstandes angedeutet, der über die wie eine
Scbaltbrücke wirkende Membran 8 mit dem am Pluspotential liegenden Anschluß 19 verbunden
wird.
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Um die während des Betriebes auftretenden Wärmeverluste abzuführen,
wird das Gehäuse des Schalters durch die Eühlrippen 2 gekühlt, welche die entstebende
Wärme sehr rasch an die Umgebungsluft abführen.
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Mit der beschriebenen und dargestellten Ausbildung des druckmittelbetätigbaren
Schalters ist es möglich, für den Schalter eine kleine Schalthysterese zu geben,
derart, daß der Schalter innerhalb eines sehr kleinen Druckbereiches eingeschaltet
und bei geringem Abfall des Druckes wieder abgeschaltet werden kann. Die Schalthysterese
kann auch groß gemacht werden, was durch entsprechende Formgebung der Membran möglich
ist. So kann beispielsweise mit einer glockenförmigen Membran 8 eine sehr kleine
Schalthysterese erreicht werden, wohingegen mit einer trapezförmigen Membran eine
große Schalthystereseerzielbar ist. Eine kleine Schalthysteresekann mit den herkömmlichen
mechanischen Schaltern nicht erreicht werden sie'ist jedoch wichtig, beispielsweise
zur genauen Meßanzeige von kleinsten Drücken, wo beim Ein- und Ausschalten möglichst
der gleiche Wert angezeigt werden soll. Dies ist bei der beschriebenen und dargestellten
Ausbildung der Membran 8 ohne weiteres möglich.