DE3632598C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem einschaltstrombegrenzenden Bauelement zur Verringerung der in einem Laststromkreis wirksamen dynami­ schen Widerstandsänderung, bestehend aus mindestens einem Heiß­ leiter und mindestens einem Kaltleiter, die in gutem thermi­ schen Kontakt miteinander stehen, wobei der Heißleiter durch den Kaltleiter heizbar ist.

Es ist bekannt, zur Verringerung des Einschaltstromes, insbeson­ dere bei induktiven Lasten, einen Heißleiter zu verwenden; sie­ he hierzu das Datenbuch "Heißleiter" der Siemens Aktiengesell­ schaft, Jahrgang 1980/81, S. 125. Der Heißleiter, der normaler­ weise beim Einschalten kalt ist und daher einen hohen Wider­ stand aufweist, begrenzt den Einschaltstrom auf einen Wert, der niedriger als der typischerweise im Betrieb auftretende Strom ist. Die elektrische Sicherung eines Gerätes kann also für den normalen Betriebsstrom ausgelegt werden. Nachdem der Heißleiter den Einschaltstromstoß abgefangen hat, ist seine Funktion er­ füllt. Durch den durch ihn fließenden Strom aufgeheizt, verrin­ gert sich sein Widerstand so sehr, daß er die Stromversorgung des Gerätes nicht mehr behindert.

Allerdings kann bei einer starken Schwankung des Betriebsstro­ mes der Widerstandswert ebenfalls stark schwanken, da während einer längeren Zeit geringen Stromflusses der Heißleiter sich abkühlt und durch seinen damit erhöhten Widerstand einen ra­ schen Stromanstieg im Bedarfsfall behindert. Der Heißleiter hat daher eine verhältnismäßig hohe dynamische Dämpfung zur Folge.

Eine Abhilfe ist bisher nur insofern möglich, als der Einschalt­ widerstand des Heißleiters, der sogenannte Kaltwiderstand, so klein gewählt wird, daß er sich bei einer Schwankung des Stro­ mes nur in verringertem Maße auswirkt.

Allerdings ist damit auch die einschaltstrombegrenzende Wirkung reduziert.

Aus der Firmendruckschrift "Temperaturabhängige Widerstände (NTC, PTC)", Datenblätter aus dem VALVO-Handbuch Einzelteile I 1964 der Firma VALVO GmbH, Hamburg, Seiten 423-427, sind heiz­ bare Heißleiter bekannt, deren Stromfluß durch den Wärmestrom einer Heizwendel in geeigneter Weise gesteuert wird. Heißleiter und Heizwendel bilden dort jedoch zwei galvanisch getrennte Stromkreise.

In der DE-PS 21 07 365 werden Angaben über eine vorteilhafte Ausgestaltung der Elektroden bei einer Klemmung - anstelle einer Lötung - von Kaltleitern gemacht. Darüber hinaus ist die klemmende Halterung einander benachbarter Thermistoren aus der EP-PS 00 28 423 bekannt. In der DE-PS 12 82 679 ist die Fremd­ heizung von Heißleitern mittels eines sich stark erwärmenden elektrischen Widerstandes erwähnt. Auch diese Patentschriften betreffen die Entmagnetisierung von Bildröhrenlochmasken. Aus der DE-OS 32 13 558 sind in Sandwich-Form angeordnete tempera­ turabhängige Widerstände zur Verwendung in einem Entmagneti­ sierungsschaltkreis bekannt, bei denen zwischen den Oberflächen der Widerstände Anschlußplatten angeordnet sind.

Eine Entmagnetisierungsvorrichtung für Bildröhren von Farbfern­ sehempfängern, bestehend aus mindestens einem Heißleiter und mindestens einem Kaltleiter, die in gutem thermischen Kontakt miteinander stehen, wobei der Heißleiter durch den Kaltleiter heizbar ist, ist aus der DE-AS 19 30 266 bekannt. Auch der dor­ tige Heißleiter kann - bei geeigneter Verwendung in einem Strom­ kreis - einschaltstrombegrenzend wirken. Jedoch liegt der Heiß­ leiter nicht im Laststromkreis, sondern parallel zur Last, wo­ bei der Zweck der dortigen Kombination von Bauteilen die expo­ nentielle Verringerung der der Entmagnetisierung dienenden Laststroms ist.

In der US-PS 34 95 136 ist die Verwendung einer Heißleiter- Kaltleiter-Kombination zur Verlängerung der Abfallzeit eines Relais beschrieben. Hier, wie auch bei der Kombination gemäß DE-AS 19 30 266 ist aber stets die Dimensionierung des Heißlei­ ters so, daß er den Kaltleiter aufheizt. Es fließt also ein Wärmestrom vom Heißleiter zum Kaltleiter.

Der eigentliche Laststrom fließt bei den erwähnten Kombinatio­ nen immer durch den Kaltleiter. Dabei sinkt der Strom innerhalb weniger Sekunden von etwa 2 A auf ungefähr 2 mA ab, wenn es sich um die Entmagnetisierung einer Lochmaske handelt. Bei der angesprochenen Relaisverzögerungsschaltung verringert sich der Strom etwa um ein bis zwei Größenordnungen.

Bei den einschaltstrombegrenzenden Heißleitern hingegen fließt der Laststrom immer durch den Heißleiter, was die bereits er­ wähnten Nachteile zur Folge hat.

Aufgabe der Erfindung ist es, die durch eine Laststromände­ rung bewirkte Widerstandsänderung zu vermindern, also die dynamische Dämpfung des Heißleiters zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Heißleiter in Serie mit einer Parallelschaltung aus dem Kaltleiter und einer Last geschaltet ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch dadurch gelöst, daß der Kaltleiter parallel zu einer Serienschaltung des Heißleiters mit einer Last geschaltet ist.

Für ein rascheres Aufheizen des Heißleiters empfiehlt es sich, zwei Kaltleiter symmetrisch um einen Heißleiter herum anzuordnen.

Für ein rascheres Abklingen des Kaltleiterheizstromes sind, nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung, zwei Heißleiter symme­ trisch zu einem Kaltleiter angeordnet.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, daß, unabhän­ gig von der im Heißleiter auftretenden Verlustleistung, der Heiß­ leiter stets im Bereich des geringsten Widerstandes gehalten wird. Dadurch ist ein plötzlicher, erhöhter Strombedarf des Verbrauchers nicht durch den nach einer längeren Dauer vermin­ derter Leistung abgekühlten und dadurch hochohmiger gewordenen Heißleiter behindert, son­ dern der benötigte höhere Strom kann sofort zur Verfügung gestellt werden. Weitere Einzelheiten hierüber erfolgen an­ hand der Beschreibung von Fig. 1.

In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen darge­ stellt, und zwar zeigt:

Fig. 1 in einem U-I-Diagramm das Verhalten bei Last­ stromwechseln mit und ohne beheizten Heißleiter,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung einer Heißleiter-Kaltlei­ ter-Kombination,

Fig. 3 eine andere Schaltungsanordnung,

Fig. 4 eine gelötete Heißleiter-Kaltleiter-Kombination,

Fig. 5 eine geklemmte Heißleiter-Kaltleiter-Kombination,

Fig. 6 eine Schaltung für verbessertes dynamisches Verhalten,

Fig. 7 eine andere Schaltung für verbessertes dynamisches Verhalten,

Fig. 8 die Anordnung einer Heißleiter-Kaltleiter-Kombina­ tion für verbessertes dynamisches Verhalten,

Fig. 9 eine andere Anordnung einer Heißleiter-Kaltleiter- Kombination für verbessertes dynamisches Verhalten.

Fig. 1 zeigt den Unterschied zwischen der Verwendung eines eigengeheizten Heißleiters und eines beheizten Heißleiters in der erfindungsgemäßen Verschaltung. Das Strom-Spannungs-Diagramm stellt die beim Betrieb ei­ nes Motors durch dessen drei unterschiedliche Impedanzen auftretenden Fälle dar.

Beim Einschalten des Motors, ohne einen Heißleiter, ergibt sich durch die Einschaltimpedanz Z _E ein Arbeitspunkt 1. Mit einem vorgeschalteten Heißleiter reduziert sich der Ein­ schaltstrom durch den sich dabei einstellenden Arbeitspunkt 2 auf einen kleineren Wert I _{ein 2}.

Im üblichen Betrieb stellt sich dann durch die Arbeitsimpe­ danz Z _A ein Arbeitspunkt 3 ein, da der Heißleiter jetzt niederohmig geworden ist.

Sinkt nun die vom Motor benötigte Leistung, so sinkt der durch den Heißleiter fließende Strom, der Heißleiter kühlt sich ab und es stellt sich durch die Leerlaufimpedanz Z _L ein Arbeitspunkt 4 ein. Wird dann plötzlich Leistung vom Motor benötigt, so ergibt sich ein Arbeitspunkt 5, da der Widerstand des Motors auf die Arbeitsimpedanz sinkt.

Man erkennt, daß nun eine hohe Spannung U _HL am Heißleiter abfällt, und nur eine geringe Spannung U _V am Motor anliegt. Gerade jetzt also, wo der Motor eine große elektrische Leistung benötigen würde, steht ihm nur ein geringer Strom und eine stark verringerte Spannung zur Verfügung, wohin­ gegen im Heißleiter eine hohe Verlustleistung auftritt. Durch diese Verlustleistung wird der Heißleiter erwärmt, sein Widerstand sinkt, es stellt sich wieder der Arbeits­ punkt 3 ein. Dies alles geschieht jedoch mit einer Ver­ zögerung von 1 bis 2 sec.

Eine solche Verzögerung ist jedoch für zahlreiche Anwendungs­ fälle nicht tolerierbar.

Ist der Heißleiter z.B. im Netzteil eines Audioverstärkers angeordnet und müßte nach einer längeren leisen Musikstelle durch einen Baßimpuls ein großer Strom zur Verfügung ge­ stellt werden, so wären unweigerlich Verzerrungen die Folge.

Eine Lösung bietet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit Beheizung des Heiß­ leiters mithilfe eines Kaltleiters. Dadurch gilt nicht mehr die steile Kennlinie A, sondern die wesentlich flachere Kennlinie B des Heißleiters.

Damit stellt sich im Leerlauffall ein Arbeitspunkt 6 als Schnittpunkt der Leerlaufimpedanzgeraden mit der flacheren Heißleiterkennlinie ein. Sollte nun ein plötzlicher Strom­ bedarf auftreten, so ergibt sich in diesem Falle ein Ar­ beitspunkt 8; man erkennt, daß der Spannungsabfall im Heiß­ leiter wesentlich kleiner ist und der dem Verbraucher zur Verfügung stehende Strom wesentlich größer ist als beim vorstehend beschriebenen bekannten Stand der Technik ohne Kaltleiter. Hat sich dann der Heißleiter durch den erhöh­ ten Strom aufgeheizt, so ergibt sich ein Arbeitspunkt 7.

Eine mögliche Schaltungsanordnung ist in Fig. 2 gezeigt. Der Heißleiter 10 liegt hier vor der Parallelschaltung aus dem Kaltleiter 11 und dem Lastwiderstand 12. Bei dieser Schaltungsanordnung wird beim Einschalten sowohl der durch die Last 12, als auch der durch den Kaltleiter 11 fließende Einschaltstrom durch den Heißleiter 10 begrenzt. Die thermische Kopplung zwischen Heißleiter 10 und Kaltleiter 11 symbolisiert 24.

Eine andere mögliche Schaltungsform ist in Fig. 3 dargestellt. Hier liegt der Kaltleiter 11 parallel zur Serienschaltung aus dem Heißleiter 10 und der Last 12. Bei dieser Schaltung wird der Kaltleiter 11 rascher aufgeheizt.

Eine konstruktive Ausführung zur Verbindung des Heißlei­ ters 10 mit dem Kaltleiter 11 ist in Fig. 4 dargestellt. Hier ist der Heißleiter 10 mit dem Kaltleiter 11 verlötet, die elektrischen Anschlüsse werden durch 17 und 18 gebil­ det, und an der Verbindungsebene 13 durch den Anschluß 14.

Ist zu befürchten, daß die thermischen Spannungen zwischen dem Heißleiter und dem Kaltleiter so groß sind, daß durch eine Verbindung mittels Löten eine Zerstörung der Heißlei­ ter-Kaltleiter-Kombination erfolgen kann, so empfiehlt sich ein Zusammenklemmen. Hierzu zeigt Fig. 5 in einem Gehäuse 23 einen Heißleiter 10 mit einem Kaltleiter 11. An der Ver­ bindungsebene 13 ist ein Anschluß 14 herausgeführt, die üb­ rigen Anschlüsse bilden Klemmfedern 19 und 20.

Soll der Heißleiter 10 rascher aufgeheizt werden, bietet sich eine Schaltungsanordnung nach Fig. 6 an. Durch zwei Kaltleiter 11 und 15 wird der Heißleiter 10 beschleunigt aufgeheizt, so daß der Laststrom schneller ansteigen kann.

Wünscht man hingegen ein rascheres Abklingen des Kaltlei­ terheizstromes, so empfiehlt sich eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 7. Durch zwei Heißleiter 10 und 16 wird hier der Kaltleiter 11 rascher aufgeheizt.

In Fig. 8 ist eine bevorzugte Anordnung für eine Schaltungs­ anordnung gemäß Fig. 6 dargestellt. Die zwei Kaltleiter 11 und 15 sind symmetrisch zum Heißleiter 10 angeordnet.

Zum umgekehrten Fall des rascheren Abklingens des Kaltlei­ terheizstromes ist in Fig. 9 eine bevorzugte Anordnung dar­ gestellt. Hier sind die zwei Heißleiter 10 und 16 symmet­ risch zum Kaltleiter 11 angeordnet.

Aus obigen Figuren ist zu entnehmen, daß der Durchmesser der Heißleiter- bzw. Kaltleiterscheiben nicht unbedingt gleich sein muß, auch wenn dies zum Erzielen einer optima­ len thermischen Kopplung wünschenswert ist.

Die Dicke der Scheiben wird, im Gegensatz zu Fig. 4 und Fig. 5, im allgemeinen unterschiedlich sein, wie es auch im nach­ folgend beschriebenen Beispiel der Fall ist.

Vorgegeben seien: eine maximale Nennspannung von 250 V, ein Nennstrom von 2 A, ein maximaler Einschaltstrom von 15 A, ein Leerlaufstrom von 0,1 A. Damit ergibt sich der Kaltwi­ derstand eines polykristallinen Mischoxidkeramik-Heißlei­ ters zu 18 Ohm als handelsüblicher Normwert. Der dazugehö­ rige B-Wert beträgt handelsüblich z.B. 3500 K. Im Betriebs­ fall beträgt die Verlustleistung im Heißleiter 2,25 W, der Heißleiter erreicht eine Temperatur von rund 150°C. Unter Berücksichtigung eines Wärmeleitwertes von etwa 22,5 mW/K ergeben sich für die Dicke des Heißleiters 2 mm, für den Durchmesser der Heißleiterscheibe 20 mm.

Im Leerlauf soll der Kaltleiter den Heißleiter etwa auf Nennbetriebstemperatur erwärmen. Damit empfiehlt sich eine statische Verlustleistung des Kaltleiters von 3.5 W. Unter Berücksichtigung der Spannungsfestigkeit von handelsübli­ chem, dotiertem polykristallinen Titanatkeramik-Kaltleiter­ material beläuft sich die Dicke der Kaltleiterscheibe bei einer maximal zulässigen Spannung von 280 V auf 1,8 mm, der Durchmesser der Kaltleiterscheibe beträgt 16 mm. Der Kaltwiderstand des Kaltleiters ist auf 1500 Ohm festgelegt.

Die Bemessung im Einzelfall hängt außer von den vorgegebe­ nen Nennwerten vom verwendeten Heißleiter- bzw. Kaltleiter­ material ab. So darf die maximal zulässige Heißleitermate­ rialtemperatur nicht überschritten werden, ebenso muß die Spannungsfestigkeit des Kaltleitermaterials berücksichtigt werden. Darüberhinaus ist die Güte des thermischen Kontaktes zwischen der Heißleiter- und der Kaltleiterscheibe zu be­ rücksichtigen. Je schlechter der Wärmeübergang ist, um so größer ist die erforderliche Heizleistung des Kaltleiters.

Bezugszeichenliste

 1 Arbeitspunkt ohne Heißleiter
 2 Arbeitspunkt mit Heißleiter
 3 Arbeitspunkt im Betriebsfall mit Last
 4 Arbeitspunkt im Leerlauffall
 5 Arbeitspunkt bei plötzlichem Lastwechsel
 6 Arbeitspunkt im Leerlauffall bei beheiztem Heißleiter
 7 Arbeitspunkt im Normalbetrieb bei beheiztem Heißleiter
 8 Arbeitspunkt bei plötzlichem Lastsprung nach Leerlauffall bei beheiztem Heißleiter
 9 Betriebsspannung U _B
10 Heißleiter
11 Kaltleiter
12 Lastwiderstand
13 Verbindungsebene Heißleiter-Kaltleiter
14 elektrischer Anschluß
15 Kaltleiter
16 Heißleiter
17 elektrischer Anschluß
18 elektrischer Anschluß
19 Klemmfeder
20 Klemmfeder
21 elektrischer Anschluß
22 elektrischer Anschluß
23 Gehäuse
24 thermische Kopplung
A Kennlinie des eigengeheizten Heißleiters
B Kennlinie des beheizten Heißleiters
I _{Ein 1} Einschaltstrom ohne Heißleiter
I _{Ein 2} Einschaltstrom mit Heißleiter
U _HL  Spannung am Heißleiter
U _V  Spannung am Verbraucher
Z _A  Arbeitsimpedanz
Z _E  Einschaltimpedanz
Z _L  Leerlaufimpedanz

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung mit einem einschaltstrombegrenzenden Bauelement zur Verringerung der in einem Laststromkreis wirksamen dynamischen Widerstandsän­ derung, bestehend aus mindestens einem Heißleiter und minde­ stens einem Kaltleiter, die in gutem thermischen Kontakt mit­ einander stehen, wobei der Heißleiter durch den Kaltleiter heizbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißleiter in Serie mit einer Parallelschaltung aus dem Kaltleiter und einer Last geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltleiter parallel zu einer Serienschaltung des Heiß­ leiters mit einer Last geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kaltleiter symmetrisch zu einem Heißleiter angeordnet sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Heißleiter symmetrisch zu einem Kaltleiter angeordnet sind.