DE3628988A1 - Anwendungsbeispiele einer kapazitiv energie speichernden induktiven wicklung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Anordnungen und Schaltun­ gen als Ausgestaltung der in der Patentanmeldung P 36 04 579.9 beschriebenen Energie speichernden induktiven Wicklungen.

Aufgabe der Erfindung ist, weitere Ausführungsbeispiele vor­ zuzeigen, deren Funkton maßgeblich auf das Vorhandensein einer kapazitiven Komponente innerhalb einer induktiven Wicklung be­ ruhen. Die Lösung der gestellten Aufgabe stützt sich auf die Merkmale der oben genannten Hauptanmeldung.

Eine Anwendung kapazitiv-induktiver Wicklungen kann bei Zeit­ relais gefunden werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Ka­ pazität der Wicklung als Kondensator eines R-C Zeitgliedes zu benutzen. Die nach Ablauf einer über den Ladestrom bestimmten Zeitspanne in der Wicklung kapazitiv gespeicherte Energie kann bei der Überschreitung eines Spannungspegels durch den Kern­ leiter AB entladen werden und dadurch den Relais betätigen.

Nach Fig. 1 z. B. lädt sich die mit kapazitivem Wickeldraht aus­ geführte Wicklung eines bistabilen Relais von einer Spannungs­ quelle U über den hochohmigen, Zeitkonstante steuernden variab­ len Widerstand. Dafür ist der Kernleiter 1 durch den Anfang A in der Reihe mit dem Widerstand 2 an den Pluspol der Span­ nungsquelle U verbunden, wobei die Sammelkontaktierung M der Metallisierung am Minuspol anliegt. Die Ladung der Wicklung kann sich zwischen den o. g. Punkten A und M, z. B. über einen Thy­ ristor 3 entladen, was zum Ansprechen des Relais führt. Die Entladung erfolgt bei einem bestimten vorgegebenen Spannungs­ pegel, wofür die Zündung des Thyristors von einem spannungs­ abhängig leitenden Triggerbaustein 4 bewirkt wird. Genauso­ gut kann die Ladung der Wicklungskapazität indirekt (unter Inanspruchnahme einer anderen Stromquelle) das Ansprechen des Relais steuern. Es ist auch möglich, gleichzeitig mit der kapazitiven Aufladung oder Entladung der Wicklung diese auch induktiv zu beanspruchen, z. B. mit einem Polarisationsstrom (Haltestrom des Relais). Ein anderer Lösungsweg um eine Zeit­ relaisfunktion zu erreichen ist es, die induktiv-kapazitive Spule des Relais durch geeignete elektronische Schaltungen mit der eigenen Schwingfrequenz schwingen zu lassen und mittels bekannter elektronischer Lösungen eine Auslösefunk­ tion nach einer bestimmten Schwingungszahl zu bewirken. Da­ bei kann von der Möglichkeit Gebrauch gemacht werden, auch die Eigenschwingfrequenz der Spule zum Zwecke der Verzöge­ rungsbestimmung zu ändern.

Die Eigenschaft einer induktiv-kapazitiven Wicklung, bei einer vorgegebenen Schaltungsart eine bestimmte Eigen­ schwingfrequenz aufzuweisen, kann bei Magnetantrieben, -ven­ tilen und -relais zu Rückmelde- oder Überwachungsfunktionen eingesetzt werden. Den zwei oder mehreren Stellungen des Ar­ beitsgliedes einer Magnetvorrichtung entsprechen bestimmte Eigenschwingfrequenzen, weil in der Regel jeder Stellung ein Luftspalt bzw. eine Reluktanz des Magnetkreises entspricht. Diese Frequenzen können mit einem überlagerten Strom, der schwach genug ist, um die Funktionsstellung nicht zu beein­ flussen, abgefragt werden, was ohne zusätzlichen Aufwand einen Hinweis auf die Stellung des Arbeitsgliedes ermöglicht. Diese Möglichkeit ist besonders bei Magnetventilen wichtig, wo die Stellung der sich in einer Flüssigkeit bewegenden Ar­ beitsgliedes sonst schwer feststellbar ist. Es besteht auch die Möglichkeit, die Temperatur der Wicklung, die u. U. der Temperatur des Mediums wo diese eintaucht entspricht, zu bestimmen. Die Eigenschwingfrequenz der Wicklung ist als Fol­ ge der temperaturabhängigen Änderung der Dielektrizitätskon­ stante der Isolation sowie mancher induktiver Parameter für eine bestimmte Arbeitsstellung auch temperaturabhängig. Die Messung dieser Frequenz gestattet es in vielen Fällen, die Spulentemperatur zu bestimmen. Es wurde in der Hauptanmeldung gezeigt, daß eine induktiv-kapazitive Wicklung ausreichend Energie speichern kann, um die Betätigung eines Magnetantrie­ bes zu bewirken. Angesichts der geringen Stromaufnahme mo­ derner elektronischer Schaltungen ist es möglich, z. B. mit einem Teil dieser Energie für begrenzte Zeit Steuerschaltun­ gen zu betreiben.

Eine Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 1 der Haupt­ anmeldung gestattet es, in einer integrierten Schaltung, in­ duktiv-kapazitive Bausteine nach bekanntem Schichtaufbauver­ fahren zu verwirklichen. Diese können die Form einer spiral­ förmigen Wicklung aufweisen, ohne in der Tat "gewickelt" zu werden, wobei sowohl Kernleiter AB, Isolation und Sammel­ kontaktierung M nach bekannten chemisch-physikalischen Be­ schichtungs- bzw. Ätzverfahren gebildet werden. Der Fig. 2 entsprechend wird zuerst auf dem Träger 5 einer integrierten Schaltung, der magnetisch oder nicht magnetisch sein kann, eine metallische Schicht 6 aufgetragen, die den Abmessungen der Wicklung entspricht und die Rolle der Sammelkontaktierung M spielt. Um eine Kurzschlußwirkung durch Wirbelströme zu vermeiden, kann diese Schicht eine radiale Unterbrechung auf­ weisen. Auf diese Schicht wird eine Dielektrikumschicht 7, z. B. aus SiO₂ oder Al₂O₃ aufgetragen, auf der ein spiralförmiges, metallisches, gut leitfähiges Muster 8 appliziert wird, das einer Wicklung ähnlich ist und dem Kernleiter AB entspricht. Über dieses wird noch eine Deck- bzw. Isolierschicht 7′ aufge­ tragen. Auf dieser letzten Isolierschicht kann zwecks Ka­ pazitäts- bzw. Induktivitätserhöhung noch eine metallische Schicht in Form der ersten Metallschicht 6 oder des Kernleiters AB appliziert werden. Um engere Toleranzen des so aufgebauten Bausteines, der hauptsächlich als Schwingkreis einsetzbar ist, zu erreichen, kann die letzte metallische Schicht durch thermische, mechanische oder chemische Verfah­ ren teilweise abgetragen werden. Die elektrisch leitfähigen Teile dieser kapazitiv-induktiven Wicklung können in üblicher Weise durch leitende Stege oder Kontaktdrähte kontaktiert werden und als Abdeckung dieses Schichtaufbaues kann man zur besseren Schließung des magnetischen Kreises magnetische Teile oder Schichten einsetzen.

Wie in der Hauptanmeldung beschrieben ist es möglich, mit Hil­ fe einer Diodenschaltung über kapazitive, durch Wechselstrom hervorgerufene Ströme, im Kernleiter gleichfließende, induk­ tiv wirksame Ströme zu erzeugen. Mit Hilfe ähnlicher Technik ist es auch möglich, mehrere durch Wechselströme oder Dreh­ strom hervorgerufene, gleichgerichtete Kernleiterströme bzw. Magnetfelder zu erzeugen, die sich überlagern lassen, so daß ein resultierendes, gleichgerichtetes Magnetfeld der Summe dieser Magnetfelder entspricht. Mit solchen Anordnungen kön­ nen z. B. Drehstrommagnete mit einem gemeinsamen, nicht la­ mellierten Kern hergestellt werden, die bis auf die Wicklung mit Gleichstrommagneten identisch, also einfach sind.

Durch entsprechende Auslegung der magnetisch-mechanischen Pa­ rameter (Luftspalten, Federkräfte, usw.) ist es möglich, im Falle von Drehstrommagneten dieser Art, daß bei dem Aus­ fall nur einer Phase die Anzugskraft des beweglichen Ankers soweit abnimmt, daß dieser zurückfällt und so z. B. Kontakte betätigt. Als Anwendung kommen v. a. Schütze für Drehstrommo­ toren, die beim Phasenausfall den Motor ausschalten, in Frage. Ein Schaltbeispiel dieser Art besteht nach Fig. 3 aus mehre­ ren (hier 3) Wicklungen AB, deren Windungsmetallisie­ rungen M miteinander verbunden sind. Der Anfang A bzw. das Ende B des jeweiligen Kernleiters der Wicklungen, die identisch (gemeinsam gewickelt), oder nicht identisch sein können, werden an der Anode bzw. Kathode zweier Dioden ange­ schlossen. Die freien Anschlüsse der Dioden werden gemeinsam an Wechselstrom angeschlossen, so daß die Fließrichtung des induktiv wirksamen Kernleiterstromes I _l gleichbleibend ist. Eine ähnliche einfache Schaltung, die jedoch in mehreren voneinander isolierten Spulenabschnitten untergebracht wer­ den muß, ist in Fig. 4 dargestellt. Zwei oder mehrere (hier 3) induktiv-kapazitive identische oder unterschiedliche Wick­ lungen werden in verschiedenen Wickelräumen untergebracht, so daß die jweiligen Sammelkontaktierungen M der Windungs­ metallisierung an verschiedenen Wechselstrom führenden Lei­ tern (z. B. im Falle eines Drehstromes an den drei Phasenlei­ tern) angeschlossen werden. Die jeweiligen Kernlei­ teranfänge A bzw. -enden B werden über Dioden 9 zu einem Stromkreis geschlossen, indem der induktiv wirksame Strom I _l kreisförmig in der von den Dioden vorgegebenen Richtung flie­ ßen kann. Für diese Schaltung und der Schaltung nach Fig. 3 führt der Ausfall einer Phase im Falle eines symmetrischen Drehstromes zu einer Verminderung um ca. ein Drittel des ge­ samten magnetischen Feldes.

Eine unsymmetrische, besonders einfache Schaltung, die beim Ausfall einer Phase im Falle eines symmetrischen Drehstromes zu einer Magnetfeldverringerung um etwa 50% führt, ist in Fig. 5 dargestellt. Eine induktiv-kapazitive Wicklung wird auf einfachste Weise mit 2 kapazitiven Wickeldrähten bifilar ausgeführt, so daß die Sammelkontaktierung M der Windungsme­ tallisierung zu beiden Kernleitern gehört und an einer Phase angeschlossen wird. Die zwei übrigen Hasen werden wie unter Fig. 3 beschrieben über jeweils zwei Dioden an den Kernlei­ teranfängen bzw. -enden der Wicklungen angeschlossen. Der An­ schluß erfolgt in der Art, daß die Magnetfelder der beiden Kernleiter sich addieren. Für die Schaltungen nach Fig. 3 und Fig. 5 beträgt der Effektivwert des induktiven (durch den Kernleiter fließenden) Gleichstromes I _l die Hälfte der durch die jeweiligen Phase fließenden kapazitiven Wechselstro­ mes. Dieses entspricht der Kapazität, Frequenz und Spannung, die zwischen den jeweiligen, an der Kapazitätsbildung betei­ ligten Leitern, feststellbar sind.

Claims (12)

1. Kapazitiv energiespeichernde, induktive Wicklung mit ent­ lang den Windungen einer Induktivität verteilten Kapazi­ tätsanteilen und Schaltungsanordnungen, dadurch gekennzeich­ net, daß diese als Wicklung eines Zeitrelais eingesetzt wird, wobei die Kapazität der Wicklung ähnlich einem Kon­ densator zur Zeitverzögerungsbestimmung in einem R-C Schaltkreis eingesetzt ist und das Ende der Zeitverzöge­ rung durch das Erreichen eines Spannungspegels bestimmt wird, und daß eine Entladung der Wicklungskapazität beim Erreichen dieses Spannungspegels in den eigenen Windungen mit dem Zweck der Relaisbetätigung stattfinden kann.

2. Kapazitiv energiespeichernde, induktive Wicklung im Ein­ satz als Schwingkreis mit konstanter oder veränderbarer Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß diese Wicklung eines Zeitrelais ist, wobei die zeitbestimmende Funktion auf elektronische Weise von einer vorgegebenen Anzahl der Schwingungen dieser Wicklung gesteuert ist.

3. Kapazitiv energiespeichernde, induktive Wicklung für Mag­ netantriebe, -ventile oder -relais und Rückmeldeverfahren für die Stellung des Arbeitsankers, dadurch gekennzeichnet, daß in der jeweiligen Stellung dieses Ankers die Wicklung zum Schwingen angeregt wird und aufgrund der Frequenz die­ ser Schwingung die Stellung des Ankers sich ermitteln läßt.

4. Kapazitiv energiespeichernde, induktive Wicklung mit einer eindeutig feststellbaren Kennlinie der Eigenschwingfrequenz in Abhängigkeit von der Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß diese zum Zwecke der Temeraturmessung zum Schwingen angeregt wird, so daß aufgrund dieser Frequenz die Tempera­ tur der Spule sich feststellen läßt.

5. Kapazitiv energiespeichernde, induktive Wicklung für elektro­ mechanische oder elektrische Bauelemente, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Energie, die diese auf kapazitive Weise speichert, für die Versorgung des induktiv wirksamen Tei­ les der gleichen Wicklung unabhängig von einer äußeren Sromquelle eingesetzt wird.

6. Kapazitiv energiespeichernde, induktive Wicklung mit einer bestimmten Hauptfunktion in einem elektromechanischen oder elektrischen Baustein, dadurch gekennzeichnet, daß diese für begrenzte Zeit als Energiespeicher für die Stromver­ sorgung anderer Bausteine eingesetzt wird.

7. Kapazitiv energiespeichernde, induktive Wicklung nach An­ spruch 1 der Hauptanmeldung insbesondere als Schwingkreis in elektronischen Schaltungen einsetzbar, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese als Bauelement einer integrierten Schaltung durch sukzessive Schichtungs- bzw. Abtrags- oder Ätzverfahren, die in der Herstellung elektronisch inte­ grierter Schaltkreise üblich sind, aufgebaut ist.

8. Kapazitiv energiespeichernde, induktive Wicklung nach An­ spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische oder nichtmagnetische Träger 5 der Schaltung mindestens eine wickelförmige, gutleitende Spiralschicht 8, die die Rolle einer Induktivität spielt, trägt, die zwischen isolieren­ den Schichten 7, 7′ eingebettet ist, Schichten, an die wie­ derum gut leitende Schichten 6, 6′ in Flächen- oder Spiralform anliegen, so daß zwischen der erstgenannten wickelförmigen Schicht und den anderen leitenden Schichten sich Kapazi­ täten bilden, die für die Schwingkreisfunktion maßgebend sind, und daß für den Toleranzausgleich der Parameter eine der leitenden Schichten gezielt teilweise entfernt werden kann, und daß über diesen Schichtaufbau aufgesetzte oder aufgetragene magnetische Stücke vorliegen können.

9. Kapazitiv energiespeichernde, induktive Wicklung und Schal­ tungsanordnungen für die Erzeugung gleichgerichteter Mag­ netfelder, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrphasig aus­ geführt ist und mit verschiedenen, untereinander kapazitiv gekoppelten Strömen gleicher oder unterschiedlicher Span­ nung oder Frequenz betrieben werden kann in der Art, daß die einzelnen Stromphasen anteilsmäßig an dem resultieren­ den Magnetfeld beitragen.

10. Induktiv-kapazitive Wicklung nach Anspruch 9 und Schaltungs­ anordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus zwei oder mehreren (n) Adern besteht, deren (n) Kernleitern mit dem Anfang A an der Anode einer Diode bzw. dem Ende B mit der Kathode einer anderen Diode verbunden sind und daß die freien Anschlüsse dieser Dioden zusammen an einem Strom­ phasenleiter angeschlossen sind, und daß die (n) mit diesen Kernleitern kapazitiv gekoppelten Windungsmetallisierungen miteinander in elektrischem Kontakt stehen.

11. Induktiv-kapazitive Wicklung nach Anspruch 9 und Schaltungs­ anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus zwei oder mehreren (n) untereinander isolierten Wicklungsabschnitten besteht, denen (n) Sammelkontaktierungen M der windungs­ metallisierung entsprechen, die an den (n) Phasen von Wech­ sel- oder Drehströmen angeschlossen sind und daß die (n) jeweiligen Kernleitern über (n) zwischengeschalteten Gleichrichterdioden miteinander zu einem Kreis verbunden sind, so daß in diesem ein Kreisstrom entstehen kann, dessen magnetische Wirkung von dem auf dem Kreisumfang in der glei­ chen Richtung durchlaufenen Dioden bestimmt wird.

12. Induktiv-kapazitive Wicklung nach Anspruch 9 für dreipha­ sigen Strom und Schaltungsanordnung insbesondere für Dreh­ strommagnete und -schütze, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus einer zweiadrigen, mit kapazitivem Wickelleiter her­ gestellten Spule besteht, die eine gemeinsame Sammelkon­ taktierung M der Windungsmetallisierungen aufweist, die an einen Phasenleiter angeschlossen ist und daß jeder der anderen zwei Phasenleiter an der Anode und Kathode zweier Dioden angeschlossen ist und daß die freie Kathode bzw. Anode dieser Dioden an dem Anfang A bzw. Ende B eines Kern­ leiters angeschlossen sind.