DE915704C - Elektromagnetisches, auf zeitweilige UEberlastungen und auf Kurzschluesse elektrischer Stromkreise ansprechendes Relais - Google Patents

Description

Bekanntlich ist die Verwendung von Bimetallstreifen zur Erzielung des Ansprechens von Unterbrechern, Kontaktgebern oder allgemein von beliebigen Ein- und Ausschaltern auf zeitweilige Überlastungen eines Stromkreises mit Übelständen verbunden, ob man nun die Bimetallstreifen auf Grund ihrer Verbiegung rein mechanisch auf einen durch seine Verschiebung das Ausklinken des Schalters herbeiführenden Stößel wirken oder sie einen elektrischen Erregerstromkreis für einen durch seinen beweglichen Kern dieses Ausklinken mittel- oder unmittelbar veranlassenden Elektromagneten schließen läßt.

Da nämlich die Bimetallstreifen durch heißes Zusammenwalzen zweier aufeinandergelegter Metallamellen mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie im übrigen auch mit anderen in Abhängigkeit von der Temperatur unterschiedlich veränderlichen physikalischen Eigenschaften, wie z. B. mit bei Erwärmung voneinander abweichen- ao dem elektrischem Widerstand oder thermischem Leitvermögen, gebildet sind, lösen sich die beiden Lamellen sowohl bei unmittelbarer Erwärmung mittels Hindurchleitung der Gesamtheit oder eines Teiles des zu steuernden Stromes als auch bei mittelbarer Erwärmung durch einen von diesem

Strom durchflossenen Heizwiderstand im Laufe der Zeit gerade infolge der verschiedenen Änderungen ihrer physikalischen Eigenschaften an einzelnen Stellen voneinander, und dies führt nach und nach zu einer Änderung der Ansprechempfindlichkeit des Bimetallstreifens in Abhängigkeit von den in diesem auftretenden Temperaturerhöhungen.

Zur Steuerung von Relais für die Ein- und Ausschaltung elektrischer Stromkreise hat man auch ίο schon die Eigenschaft von Magnesia, seltenen Erden sowie ähnlichen Körpern, mit der Temperatur den spezifischen elektrischen Widerstand zu verändern, in der Weise nutzbar gemacht, daß in Reihe mit der Relaiswirkung ein aus einem derartigen Körper bestehender, mittel- oder unmittelbar vom Relaisstrom beheizter Widerstand vorgesehen wird. Im besonderen hat man das Metalloid Bor, dessen spezifischer elektrischer Widerstand in der Kälte ziemlich groß ist und mit der Erhöhung der Temperatur verhältnismäßig rasch abnimmt, dazu verwendet, die Wirkung eines bei Erregung einen Stromkreis schließenden elektromagnetischen Relais durch einen mit diesem hintereinandergeschalteten und vom Relaiserregerstrom erwärmten Widerstand aus Bor zu verzögern. Diese Anordnung ermangelt aber der erforderlichen Stabilität der Wirkungsweise, da schon eine ganz geringe Steigerung der Relaisstromstärke sofort eine Erhöhung der spezifischen Leitfähigkeit des Bor-Widerstandes hervorruft und dies hinwiederum eine Zunahme der Stromstärke ermöglicht und dieses Spiel sich fortsetzt.

Die Erfindung geht nun zur Schaffung eines in dauernd einwandfreiem Arbeiten auf zeitweilige Überlastungen eines Stromkreises und auf Kurzschlußstromstärken ansprechenden elektromagnetischen Relais von der Feststellung aus, daß es unter den sogenannten Halbleitern, d. h. den Leitern mit zunehmender Erwärmung sinkendem spezifischem elektrischem Widerstand, eine Gruppe gibt, bei der dieser Widerstandswert r in seiner Abhängigkeit von der Temperatur t nach der aus Abb. ι der Zeichnung ersichtlichen Kurve verläuft, d. h. auf sein Maximum im Kurvehpunkt M bei einer etwas über der Umgebungstemperatur liegenden Temperatur, z. B. von 30° C oder darüber, ansteigt und dann bei weiterer Temperatursteigerung ziemlich rasch abnimmt, und zu der unter anderem beispielsweise die durch Sinterung von reinem Excarbonyleisen oder von reinem Eisen für magnetischen weichen Stoff erhaltenen und aus beinahe reinem Ferrit bestehenden Körper sowie die auf der Grundlage von Silicium und Kohlenstoff gewonnenen Halbleiter mit einer, z. B. der stöchiomeirischen Formel von Siliciumcarbid nahe kommenden stöchiometrischen Zusammensetzung gehören.

Erfindungsgemäß wird demnach das Prinzip der Steuerung eines bei Überlastungen und Kurzschließen von elektrischen Stromkreisen auszulösenden elektromagnetischen Relais durch einen mit dessen Erregerwicklung in Reihe liegenden temperaturabhängigen Widerstand in der Weise verwirklicht, daß ein in seinem spezifischen elektrischen Widerstandswert sein Maximum bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur erreichender und hierauf bei höheren Temperaturen ziemlich schnell absinkender Widerstand durch die mittel- oder unmittelbare Heizwirkung des Stromes des zu überwachenden Stromkreises in seiner Leitf ähigkeit so beeinflußt wird, daß er beim normalen Arbeiten dieses Stromkreises nur auf eine die Temperatur für das Auftreten des Maximums seines spezifischen elektrischen Widerstandswertes nicht überschreitende, sondern etwas darunterbleibende Temperatur (vgl. den Punkt A der Kurve nach Abb. 1) und erst durch eine zeitweilige Überlastung und durch einen Kurzschluß des zu überwachenden Stromkreises auf eine die Temperatur des Widerstandsmaximums übersteigende und das Ansprechen des Relais herbeiführende höhere Temperatur (vgl. den auf den Punkt M folgenden Teil der Kurve nach Abb. 1) gebracht wird. Diese Art der Benutzung eines gemäß der Kurve nach Abb. 1 temperaturabhängigen Widerstandes ergibt ein Relais, das nicht nur den bei der Steuerung von Schaltvorgängen durch Bimetallstreifen auftretenden Übelstand des allmählichen Nachlassens der Ansprechempfindlichkeit der Unterbrechervorrichtung, sondern auf Grund der in der Widerstands-Veränderungskurve durch denTeiL4M (vgl. Abb. 1) gegebenen Reversibilitäts- und Stabilitätszone auch den mit der Reihenschaltung eines Relais mit einem Widerstand aus Bor verbundenen Nachteil der Instabilität der Relaiswirkung vermeidet.

Für die Herstellung eines erfindungsgemäß wirksamen Widerstandes sind alle die hierfür erforderliche Änderung des spezifischen elektrischen Widerstandes mit zunehmender Erwärmung aufweisenden Halbleiter geeignet, und die Wahl des jeweils vorzugsweise in Betracht kommenden Halbleiters und die Bemessung des daraus gebildeten Widerstandes richtet sich nach den Gebrauchsbedingungen der die gesteuerte Schaltmaßnahme durchführenden Teile und nach den baulichen Merkmalen des bei Überlastung oder Kurzschluß arbeitenden Relais. Auch hat man immer zwischen den Eingangs- und Ausgangsklemmen von Schaltern und Unterbrechern eine gegebene, je nach der ein- oder mehrpoligen Schalterbauart und den Nennwerten von Spannung und Strom mehr oder weniger beträchtliche und für die Zwecke der Erfindung hinreichende Potentialdifferenz zur Verfügung, so daß z. B. bei mehrpoligen Unterbrechern die erfindungsgemäß ausgebildeten Relais durch die Gesamtheit oder einen Teil der Spannung zwischen den Polen gespeist werden können, die stets mittels in Reihe mit den Relais liegender Widerstände eingestellt werden kann, während die thermische Isolierung des nach der Kurve der Abb. 1 temperaturabhängigen elektrischen Widerstandes selbst eine Funktion der Regelungscharakteristik ist, so daß dieser Widerstand unter den normalen Betriebsbedingungen des zu überwachenden Stromkreises eine Temperatur annimmt, die dem Punkt A des ansteigenden Astes der Kurve der Abb. 1 ent-

spricht und mehr oder weniger weit unter dem zum Umkehrpunkt M der Kurve gehörigen Temperaturwert liegt.

Wenn der gesamte durch den betreffenden Pol des Unterbrechers gehende Strom in seiner Stärke zunimmt, steigt die Temperatur in dem mit dieser veränderlichen Widerstand proportional diesem Anwachsen der Stromstärke, und zwar um so mehr, je besser dieser Widerstand gegen Wärmeverluste

ίο geschützt ist. Ist diese Zunahme der Stärke des zu überwachenden Stromes und damit der Erwärmung

. des temperaturabhängigen Widerstandes so groß, daß in der Kurve der Abb. ι der die Temperatur dieses Widerstandes darstellende Punkt auf den rechts vom Höchstpunkt M liegenden abfallenden Ast übergeht, so wächst die Stromstärke in dem Widerstand im Maße der Erhöhung, und umgekehrt. Nimmt man beispielsweise an, daß der Widerstand unmittelbar von dem durch die Erregerwicklung des elektromagnetischen Relais fließenden Strom erhitzt wird, so kann der Strom im Widerstand und damit in der Relaiswicklung, während die Temperatur im Widerstand z. B. von 15 auf ioo° C ansteigt, im Verhältnis von 1 zu 5 in seiner Stärke zunehmen und demzufolge das Relais zur Auslösung des Unterbrechers oder Schalters veranlassen.

Die Schaltanordnung kann bei einem Relais nach der Erfindung im einzelnen beispielsweise nach Abb. 2 ausgeführt sein, in welcher zwischen der Eintrittsklemme 1 und der Austrittsklemme 2 des ganzen Schaltgebildes ein normaler Widerstand 3 liegt und in einer von dessen Enden abgezweigten Leitung der gemäß der Kurve nach Abb. 1 temperaturabhängige Widerstand 4 und die Elektromagnetwicklung 5 des Relais in Reihe geschaltet sind. Die Windungszahl η der Wicklung 5 ist für einen normalen Erregerstrom i_r so gewählt, daß die Amperewindungen ni_r das Relais noch nicht zum Ansprechen bringen und dies erst die durch einen Erregerstrom / = k · i_r erzeugten Amperewindungen nl bewirken, wobei der Faktor k eine Zahl zwischen 2 und 10 oder auch eine höhere Zahl je nach den physikalischen Eigenschaften und den Abmessungen sowie der Wärmeträgheit und der thermischen Isolierung des temperaturabhängigen Widerstandes 4 und je nach den jeweils zugelassenen Sicherheitsgrenzen ist.

Der normale Widerstand 3 kann beispielsweise 3 Ohm betragen und der temperaturabhängige Widerstand 4 zwischen 150hm bei 20⁰C und 1,80 Ohm bei ioo° C veränderlich sein. Bei einem Strom von 1,3 Ampere in dem Widerstands, d.h. bei einer 30°/oigen Überlastung, steigt nach einer bestimmten Zeit, etwa nach 1 Stunde, die Stärke des den Widerstand 4 und die Wicklung 5 durchfließenden Stromes in Abhängigkeit von der thermischen Isolierung des Widerstandes 4 von 0,22 auf 0,81 Ampere, und der Faktor k ist dabei 3,6, während bei einem Strom von 2,5 Ampere im Widerstand 3 der durch den Widerstand 4 und die Wicklung 5 gehende Strom von 0,4 auf 1,56 Ampere anwächst und bei einem Strom von 5 Ampere im Widerstand 3 der Strom im Widerstand 4 und in der Wicklung 5 von 0,8 auf 3,14 Ampere zunimmt und in diesen beiden Fällen der Faktor k durch die Zahl 3,9 gegeben ist.

Der zwischen den Klemmen 1, 2 liegende Widerstand 3 kann, wie Abb. 3 zeigt, thermisch mit dem temperaturabhängigen Widerstand 4 verbunden und insbesondere zu dessen Erwärmung verwendet sein, wodurch die Ansprechempfindlichkeit des Relais 5 erhöht wird. Gemäß Abb. 3 umgibt der Widerstand 3 den Widerstand 4 und bringt ihn bei normalen Betriebsverhältnissen auf eine dem Scheitelpunkt M der Kurve der Abb. 1 nahe kommende, aber diesen nicht erreichende Temperatur. Der Widerstand 4 ist mit dem ihn umschließenden Widerstand 3 in einer geschlossenen Hülle 6, z. B. aus Glas, untergebracht, in der man gegebenenfalls ein Vakuum zwecks Einstellung der Wärmeübertragung vom Heizwiderstand 3 nach dem Widerstand 4 auf ein zweckmäßiges Maß erzeugen und die Widerstände 3, 4 gegen äußere Einwirkungen schützen kann. Die Relais wicklung 5, die mit dem Widerstand 4 in Reihe zwischen die Klemmen 1, 2 geschaltet ist, befindet sich dabei außerhalb der Glashülle 6.

Die Trägheit des Relais nach der Erfindung ist nur durch die Wärmeträgheit des temperaturabhängigen Widerstandes begrenzt. Bekanntlich muß, wenn ein Unterbrecher mit einem für zeitweilige Überlastungen mit Zeitwirkung arbeitenden Relais und mit einem auf Kurzschlußströme augenblicklich ansprechenden Relais versehen ist, das letztere Relais zwangläufig auf höhere Stromstärken als das erstere Relais eingestellt werden. Das Relais nach der Erfindung kann sowohl zur Steuerung von mit Zeitabhängigkeit arbeitenden Unterbrechern als auch von gleichzeitig mit einem Relais für zeitweilige Überlastungen und mit einem Relais für sofortige Kurzschlußabschaltung versehenen Unterbrechern Verwendung finden.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Elektromagnetisches, auf zeitweilige Überlastungen und auf Kurzschlüsse elektrischer no Stromkreise ansprechendes Relais mit einem in Reihe mit seiner Erregerwicklung geschaltetem, in der Leitfähigkeit mit der Temperatur veränderlichem elektrischem Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß ein in seinem spezifischen elektrischen Widerstandswert sein Maximum (M) bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur erreichender und hierauf bei höheren Temperaturen ziemlich schnell absinkender Widerstand (4) durch die mittel- oder unmittelbare Heizwirkung des Stromes des zu überwachenden Stromkreises (1, 3, 2) in seiner Leitfähigkeit so beeinflußt wird, daß er beim normalen Arbeiten dieses Stromkreises nur auf eine die Temperatur für das Auftreten des Maximums (M) seines spezifischen elektrischen

   Widerstandswertes nicht überschreitende, sondern etwas darunterbleibende Temperatur (A) und erst durch eine zeitweilige Überlastung und durch einen Kurzschluß des zu überwachenden Stromkreises auf eine die Temperatur des Widerstandsmaximums (M) übersteigende und das Ansprechen des Relais (5) herbeiführende höhere Temperatur gebracht wird (Abb. 1 und 2).
2. 2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Relaiserregerwicklung (S) und dem mit dieser in Reihe liegenden temperaturabhängigen Widerstand (4) ein zu dessen Erwärmung dienender Heizwiderstand (3) geschaltet ist (Abb. 3).
3. 3. Relais nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturabhängige Widerstand (4) und der Heizwiderstand (3) in einer geschlossenen Hülle (6), z. B. aus Glas, untergebracht sind, in der ein Vakuum erzeugt sein kann (Abb. 3).
4. 4. Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturabhängige Widerstand (4) aus einem durch Sinterung von reinem Eisen erhaltenen oder auf der Grundlage von Silicium und Kohlenstoff gewonnenen Halbleiter oder einem anderen, eine ähnliche Temperaturabhängigkeit seines spezifischen elektrischen Widerstandes aufweisenden Halbleiter besteht (Abb. 1 bis 3).
5. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
6. © 9532
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