DE9314686U1 - Elektronische Schaltungsanordnung für Lageschalter - Google Patents

Description

Besch re i bung:

Die Erfindung betrifft elektronische Scha Ltungsanordnungen für Lageschalter, insbesondere Schwimmschalter, zum Schalten von elektrischen Aggregaten mit Wechselstrom gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. zum Schalten von elektrischen Aggregaten mit Gleichstrom gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Die DE-A-41 17 355 zeigt einen Lageschalter, insbesondere Schwimmschalter, zum Schalten von elektrischen Aggregaten, bei dem der Scha It Vorgang durch eine elektrisch leitende Flüssigkeit ausgelöst wird. Diese Flüssigkeit befindet sich in einem geschlossenen Röhrchen, in das zwei Elektroden eingeführt sind. Der Scha It Vorgang wird dadurch ausgelöst, daß in der einen Lage des Schaltorgans die Elektroden über die leitende Flüssigkeit in Kontakt stehen, in der anderen Lage nicht. Somit ist auch das Schalten mit einer Luftblase möglich. Die elektrisch leitende Flüssigkeit besteht nicht mehr wie früher üblich aus dem hochgiftigen Quecksilber, sondern aus einer nicht-metallischen Flüssigkeit, insbesondere einem wässrigen Elektrolyt. Dieser flüssigkeitsgefüllten Schaltröhre ist eine elektronische Schaltung zugeordnet, die einerseits den Strom durch die Schaltröhre so weit verstärkt, daß die elektrischen Aggregate direkt versorgt werden können, und andererseits die elektrische Spannung an den Elektroden sowie den Strom durch die Flüssigkeit so gering hält, daß sich die Flüssigkeit nicht zersetzt. Dieser vorbekannte Lageschalter nützt somit erstmals die aus der Galvanik an sich schon seit langem bekannte Tatsache aus, daß sich eine e lektro lytisehe Flüssigkeit bei Stromdurchgang erst dann zu zersetzen beginnt, wenn eine bestimmte Spannungsschwelle überschritten wird, wobei diese Schwelle abhängig ist von der Art der angelegten Spannung, der Kurvenform, der Frequenz, der Art des Elektrolyten, der Konzentration des Elektrolyten, dem

Material, der Elektroden usw., und daß die Geschwindigkeit der Zersetzung proportional dem Strom ist.

Die DE-A-41 17 355 offenbart auch bereits drei elektronische Schaltungsanordnungen, die die gestellte Aufgabe erfüllen. Gemeinsam ist allen Schaltungsanordnungen ein streng symmetrischer Aufbau, bezogen auf die Schaltröhre. Dieser symmetrische Aufbau soll das Entstehen einer Gleichstromkomponente durch die Schaltröhre verhindern, da Elektrolyte sich unter der Wirkung von Gleichstrom sehr viel leichter zersetzen als bei Wechselstrom. Durch die Notwendigkeit, einen symmetrischen Aufbau zu realisieren, werden die vorbekannten Schaltungsanordnungen relativ aufwendig; in der Praxis werden sie auch extrem teuer, da die Symmetrie nur unter Verwendung von streng selektierten und gepaarten Bauelementen gewährleistet werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Schaltungsanordnungen anzugeben, die trotz eines extrem einfachen und unsymmetrischen Aufbaus die gestellte Aufgabe - Verstärkung des minimalen Scha Ltstroms und Verhinderung einer Zersetzung der elektrisch leitenden Flüssigkeit sicher erfüllen.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Schaltens mit Wechselstrom erfüllt durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1 und bezüglich des Schaltens mit Gleichstrom durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen gemäß Kennzeichen des Anspruchs 5.

Die Wechselstrom-Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß außer der Schaltröhre nur noch ein Triac erforderlich ist. Der Bauelementeaufwand ist somit minimal. Da der Triac zündet, wenn die Spannung zwischen Kathode und Gate Werte von typisch 1 bis 2 V erreicht hat und die Restspannung des gezündeten Triac in der gleichen Größenordnung liegt, steigt

die Spannung zwischen den Elektroden der Schaltröhre niemals über diesen Wert an. Eine richtig ausgesuchte Scha 11f lüssigkeit zersetzt sich nicht. Da der Triac ohne Phasenanschnitt schaltet, entstehen keine Hochfrequenzstörungen und die Schaltleistung ist maximal.

Da die Zündspannung eines Triac für die beiden Wechse Istrom-Scha11we Ilen geringfügig unterschiedlich sein kann, könnte bei ungünstigen Bauelemente-Werten eine Gleichstromkomponente entstehen, die einen sehr empfindlichen Elektrolyten zersetzen könnte, wenn auch sehr langsam. Um dies mit Sicherheit auszuschließen, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in Serie zur Schaltröhre ein Kondensator geschaltet. Dieser unterbindet mit Sicherheit jegliche Gleichstromkomponente.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen

Schaltungsanordnung ist, daß sie - anders als die bekannten Schaltungsanordnungen - zu einem Wechselschalter erweitert werden kann. Hierzu wird eine Schaltröhre benötigt, in die drei Elektroden eingeführt sind, eine Mittelelektrode und zwei Schaltelektroden. Außerdem sind zwei Triac erforderlich, deren Anoden zusammengeschaltet werden, während die Gates an je eine Arbeitselektrode der Schaltröhre gelegt sind. Die Mittelelektrode wird gegebenenfalls wieder über einen Kondensator - mit den zusammengeschalteten Anoden verbunden.

Auf die grundsätzlich gleiche Art läßt sich auch ein Differenzschalter herstellen, indem eine Schaltröhre verwendet wird, deren drei Elektroden entsprechend geformt sind. Schaltröhren mit solchen Elektroden und Quecksilber als Schaltflüssigkeit sind bekannt.

Oft besteht auch der Wunsch, Aggregate mit Gleichstrom zu schalten. Da insbesondere wäßrige Elektrolyten bezüglich

Gleichstrom besonders empfindlich sind, wird mit Hilfe eines geeigneten Oszillators zunächst ein Wechselstrom erzeugt, und zwar bevorzugt mit höherer Frequenz, da mit steigender Frequenz die Zersetzungsneigung abnimmt. Der die Schaltröhre durchfließende Wechselstrom wird anschließend gleichgerichtet und verstärkt. Hierzu wird vorzugsweise ein NAMUR-SchaIter nachgeschaltet, dessen Stromaufnahme sich im Bereich der in der DIN 19234 vorgegebenen Werte abhängig vom momentanen Schaltzustand bewegt.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen und insbesondere im Vergleich mit dem Stand der Technik näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine Wechselstrom-Schaltungsanordnung für

Lageschalter unter Verwendung einer Schaltröhre mit einer elektrisch leitenden, nicht-metallischen Flüssigkeit,

Fig. 2 eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zu einem Umschalter,

Fig. 3 eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zu einem Differenzschalter,

Fig. 4 eine Gleichstrom-Schaltungsanordnung für Lageschalter

unter Verwendung einer Schaltröhre mit einer elektrisch leitenden, nicht-metallischen Flüssigkeit,

Fig. 5 eine erste Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik gemäß DE-A-41 17 355 für Wechselstrom,

Fig. 6 eine zweite Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik gemäß DE-A-41 17 355 für Gleichstrom und

Fig. 7 eine dritte Schaltungsanordnung, die nicht unter das erfindungsgemäße Prinzip fällt.

Betrachtet man zunächst die vorbekannte Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5, so erkennt man außer einer Schaltröhre WI, bestehend aus einem geschlossenen Isolierstoff-, insbesondere Glasbehälter 1, in dem sich ein Tropfen 2 einer elektrisch leitenden, nicht-metallischen Flüssigkeit befindet, der je nach Lage des Behälters 1 zwei in diesen eingeführte Elektroden 3, 4 miteinander verbindet oder nicht, noch zwei Thyristoren Q5.1, Q5.2 und zwei Widerstände R1, R2. Die Thyristoren Q5.1, Q5.2 sind antiparallel zwischen Anschlußelektroden EO, E1 geschaltet. Die Elektroden 3, 4 der Schaltröhre W1 sind zwischen die beiden Gates der Thyristoren Q5.1, Q5.2 geschaltet, die Widerstände R1, R2 jeweils zwischen Kathode und Gate jedes Thyristors Q5.1, Q5.2. Dank dieses zur Schaltröhre W1 völlig symmetrischen Aufbaus wird dem Entstehen einer Gleichstromkomponente durch den Flüssigkeitstropfen 2 vorgebeugt. In der Praxis sollte diese Symmetrie jedoch durch selektierte und gepaarte Bauelemente realisiert werden, was die Angelegenheit schon wegen der Anzahl der Bauteile verteuert. Bei zündempfindlichen Thyristoren und da die anliegende Spannung nach Zünden der Thyristoren auf nur noch ca. 1 V absinkt, können die elektrolytisehen Effekte vernachlässigt werden.

Fig. 1 zeigt im Vergleich dazu eine erste erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, mit der derselbe Effekt erreicht wird wie mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 5, jedoch ohne die Verwendung selektierter Bauelemente und mit einem erheblich reduzierten Aufwand. Außer der Schaltröhre W1 ist lediglich ein Triac Q1 erforderlich. Die Schaltröhre W1 wird zwischen Anode und Gate des Triac Q1 geschaltet. Da der Triac Q1 bereits durchschaltet, wenn die Spannung zwischen Kathode K und Gate G 1 bis 2 V erreicht und die Restspannung des gezündeten Triac in der gleichen Größenordnung liegt, steigt die Spannung an den Elektroden 3, 4 der Schaltröhre W1 nicht

höher als Scha Lt spannung bzw. Restspannung.

Fig. 1 zeigt in Serie zur Schaltröhre W1 noch einen Kondensator C. Dieser verhindert mit Sicherheit das Entstehen einer G Leichstromkomponente. Ohne Kondensator C könnte eine G Leichstromkomponente dann entstehen, wenn zufäLLigerweise ein Triac Q1 verwendet wird, der für beide HalbweLLen der Wechselspannung stark unterschied Liehe und deutlich höhere Zündwerte besitzt.

Fig. 2 zeigt die Erweiterung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zu einem Umschalter. Verwendet wird hier eine Schaltröhre W2 mit insgesamt drei Elektroden, 3, 4, 5. Die Mi11e I e Iektrode 3 ist gegebenenfalls über den Kondensator C mit den zusammengeschalteten Anoden A der Triacs Q2.1, Q2.2 verbunden, während je eine der Arbeitselektroden 4, 5 mit je einem Gate G1, G2 jedes Tricas Q2.1, Q2.2 verbunden ist. Verbindet die Flüssigkeit wie in der Fig. 2 dargestellt die Elektroden 3 und 4, schaltet der Triac Q2.2 durch; ein an die Anschlußelektroden EO, E2 angeschlossenes elektrisches Aggregat wird eingeschaltet. Verbindet die Flüssigkeit die Elektroden 3, 5 der Schaltröhre W2, schaltet der Triac Q2.1 durch; ein an die Anschlußelektroden EO, E1 angeschlossenes Aggregat wird aktiviert.

Fig. 3 zeigt eine Variante zu der Schaltungsanordnung nach Fig. 2. Hier wird eine Schaltröhre W3 verwendet, deren drei Elektroden 6, 7, 8 so ausgebildet sind, daß ein Differenzschalter entsteht. Für den Betrieb der DifferenzschaLtung nach Fig. 3 ist zusätzlich eine Auswerteschaltung mit SeIbstha I tung erforderlich, beispielsweise eine entsprechende Schutzschaltung. Dank der besonderen Form der Elektroden 6, 7, 8 wird bei einer "Änderung der Lage der Schaltröhre W3 zuerst der Kontakt zwischen 6 und 7 geschlossen, bei einer weiteren Lageänderung zusätzlich der Kontakt nach 8. Erst dann

schaltet die AuswerteschaLtung ein und bleibt in Se lbstha Ltung. Die SeIbstha 11ung hebt sich auf, wenn der Kontakt 7 nach einer rückwärtigen Lageänderung wieder geöffnet hat. Auf diese Weise ist es möglich, innerhalb einer bestimmten Lagedifferenz ein- und auszuschalten.

Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, mit deren Hilfe es möglich ist, Aggregate mit Gleichstrom zu schalten. Hierzu ist zunächst ein Oszillator 0 vorgesehen, der einen Wechselstrom mit erhöhter Frequenz, beispielsweise einige hundert Hertz bis einige Kilohertz, durch die Schaltröhre W1 treibt. Hinter der Schaltröhre W1 ist ein NAMUR-SchaI ter vorgesehen, in dem der Schaltstrom gleichgerichtet, verstärkt und in eine Stromaufnahme umgewandelt wird, die sich im Bereich der in der DIN 19234 vorgegebenen Werte abhängig vom momentanen Schaltzustand bewegt (bevorzugte Ausfüh rung) .

Fig. 6 zeigt im Vergleich dazu eine Schaltungsanordnung zum Schalten von Aggregaten mit Gleichstrom nach dem Stand der Technik gemäß DE-A-41 17 355. Der im Oszillator 0 erzeugte Wechselstrom wird hinter der Schaltröhre W1 gleichgerichtet, in ein Schaltsignal umgewandelt und steuert einen MOS-Transistor Q4, hier in Open-Co Ilector-Scha11ung.

Fig. 7 schließlich zeigt eine Schaltungsanordnung, die auf den ersten Blick ähnlich der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 zu sein scheint. In Wirklichkeit hat die Schaltungsanordnung nach Fig. 7 erhebliche Nachteile. Es handelt sich hier um eine sogenannte Dimmerscha ltung, wie sie in großen Stückzahlen verwendet werden, um die Helligkeit einer Glühlampe stufenlos zu steuern. Bei dieser Schaltungsanordnung wirkt die Flüssigkeit 2 in der Schaltröhre W1 wie ein veränderlicher Widerstand, über den in jeder Halbwelle der an die Anschlußelektroden EO, E1 angelegten Wechselspannung der Kondensator C aufgeladen

wird. Durch geeignete Abstimmung des elektrischen Widerstandes der Flüssigkeit 2 auf den des Kondensators C und die Frequenz der Wechselspannung, kann der Spannungsabfall an den Elektroden 3, 4 unter der Zersetzungsspannung gehalten werden. Die Aufladung des Kondensators C erfolgt mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung, abhängig von dem Widerstandswert des Flüssigkeitstropfens 2 und der Kapazität des Kondensators C. Die im Kondensator C aufgebaute Spannung oder gespeicherte Ladung wird über einen Diac Q7.2 auf das Gate eines Triac Q7.1 geschaltet. Ein Diac hat typisch Scha It spannungen von 25 bis 35 V. Dies bedeutet, daß der Triac Q7.1 erst durchschaltet, wenn die Spannung am Kondensator C diesen Wert überschritten hat. Zu diesem Zeitpunkt hat jedoch die Spannung an den Anschlußelektroden EO, E1 schon Werte von über 40 V erreicht. Es findet also in jeder Halbwelle ein nicht unerheblicher Phasenanschnitt statt, der die Schaltleistung erheblich reduziert. Außerdem erzeugt jeder Phasenanschnitt zusätzlich hochfrequente Störungen auf dem Wechselstromnetz, die durch zusätzliche Entstörkondensatoren und -drosseln wieder reduziert werden müssen.

Claims (5)

Schut zansprüche:

1. Elektronische SchaLtungsanordnung für LageschaLter, insbesondere SchwimmschaLter, zum Schalten von elektrischen Aggregaten mit Wechselstrom, umfassend wenigstens eine Schaltröhre (W), die aus einem I so Iierstoffbehä11er (1), einer teilweisen Füllung mit einer elektrisch leitenden, nicht-metallischen Flüssigkeit (2) und wenigstens zwei in den Isolierstoffbehälter (1) eingeführten Elektroden (3, 4) besteht, und wenigstens ein steuerbares Halbleiterbauelement (Q), wobei die Schaltungsanordnung den Schaltstrom durch die Schaltröhre (W) verstärkt und die Spannung an den Elektroden (3 , A) so begrenzt, daß die Flüssigkeit sich nicht zersetzt, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Halbleiterbauelement (Q) ein Triac (Q1) ist und daß die Schaltröhre (W1) direkt zwischen Anode (A) und Gate (G) des Triac (Q1) geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zur Schaltröhre (W1) ein Kondensator (C) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Umschalters (Fig. 2) zwei Triac (Q2.1, Q2.2) vorgesehen sind, daß die Schaltröhre (W2) drei als Wechsler wirkende Elektroden (3, 4, 5) aufweist und daß die Anoden (A) der Triacs (Q2.1, Q2.2) wechseIstrommäßig mit der Mittelelektrode (3) der Schaltröhre (W) und die Gates (G1, G2) der Triacs (Q2.1, Q2.2) mit je einer der restlichen Elektroden (4, 5) verbunden sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Differenzschalters (Fig. 3) zwei Triacs (Q3.1, Q3.2) vorgesehen sind, daß die Schaltröhre (W3) drei als Lagedifferenzfühler wirkende

Elektroden (6, 7, 8) aufweist und daß die Anoden (A) der Triacs (Q2.1, Q2.2) wechseLstrommäßig mit der Mittelelektrode (6) der Schaltröhre (W) und die Gates (G1, G2) der Triacs (Q3.1, Q3.2) mit je einer der Differenzelektroden (7, 8) verbunden sind.

5. Elektronische Schaltungsanordnung für Lageschalter, insbesondere Schwimmschalter, zum Schalten von elektrischen Aggregaten mit Gleichstrom, umfassend wenigstens eine Schaltröhre (W), die aus einem I so Iierstoffbehä Iter (1), einer darin eingeschlossenen teilweisen Füllung (2) mit einer elektrisch leitenden, nicht-metallischen Flüssigkeit und wenigstens zwei in den I so Iierstoffbehä 11er (1) eingeführten Elektroden (3, 4) besteht, wenigstens ein steuerbares HaLbLeiterbaueLement (Q), wobei die Schaltungsanordnung den Schaltstrom durch die Schaltröhre (W) verstärkt und die Spannung an den Elektroden (3, 4) so begrenzt, daß die Flüssigkeit sich nicht zersetzt, und einen Wechselstromgenerator (0), der einen Wechselstrom durch die Schaltröhre (W1) treibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltröhre (W1) vorzugsweise ein NAMUR-SchaLter (N) nachgeschaltet wird, dessen Stromaufnahme sich im Bereich der in der DIN 19234 vorgegebenen Werte abhängig vom momentanen Schaltzustand bewegt.