DE961912C - Kontaktlose Relaisanordnung mit beliebig verzoegerter, selbsttaetiger Ausloesung mittels bistabiler Kristalloden - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 11. APRIL 1957

D 20021 VIII C j 21 ξ

Otto Schulz, Darmstadt

ist als Erfinder genannt worden

Deutsche Bundespost,

Die Erfindung hat eine kontaktlose Relaisanordnung mit beliebig verzögerter, selbsttätiger Auslösung mittels bistabiler Kristalloden zum Gegenstand.

Es sind bereits Schaltungsanordnungen mit Kristalloden mit bistaWlem Verhalten vorgeschlagen worden, bei denen eine Eingangsgröße einen temperaturabhängigen Widerstand in seinem Wert beeinflußt, der dann seinerseits ein Umspringen von einem Arbeitspunkt mit großem Strom zu einem Arbeitspunkt mit kleinem Strom, oder umgekehrt hervorruft. Das Ansprechen dieser hauptsächlich zur Einleitung von Regelvorgängen und zur Auslösung von Anzeigevorrichtungen dienenden Kristallodenanordnung erfolgt also hier in Abhängigkeit einer von außen auf den abhängigen Widerstand einwirkenden Größe.

Demgegenüber soll bei der Anordnung nach der Erfindung das Umspringen von einem stabilen Arbeitspunkt auf den anderen durch die Rückwirkung des in einem Stromzuführungsweg, vorzugsweise dem Kollektorkreis, der Kristallode fließenden Stromes selbst vorgenommen, also ohne das Hinzutreten eines von außen wirkenden Impulses erzielt werden.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß ein Arbeitsstrom, vorzugsweise der Kollektorstrom, der Kristallode bei Durchfließen einer Heizwendel einen in derem unmittelbaren Wirkungsbereich angebrachten temperaturabhängigen Widerstand im Emittor- oder Basiskreis in seinem Wert derart beeinflußt, daß die hierdurch eintretende Potentialverschiebung nach einer einstellbaren Zeitspanne ein Umspringen von dem einen auf den

anderen stabilen Arbeitspunkt, oder umgekehrt, auslöst.

Durch diese prinzipielle Anordnung ist es mit geringem Aufwand möglich, einen selbsttätigen Taktgeber aufzubauen, der in regelmäßigen Abständen von einem Arbeitspunkt auf den anderen umspringt und infolgedessen einmal einen hohen und einmal einen niedrigen Widerstand in einem angeschlossenen Arbeitskreis aufweist, in dem, ίο wenn große Leistungen zu schalten sind, ein normales Relais liegen kann. Dabei hat man es durch die geeignete Wahl der temperaturempfindlichen Widerstände (Heiß- oder Kaltleiter) und der Heizwendel sowie durch den Zusammenbau in der Hand, die Taktzeiten beliebig lange zu wählen.

Nach einer besonders zweckmäßigen Ausführung der Erfindung kann man zur Erzielung besonders langer Taktzeiten nur einen Teil des Kollektorstromes zur Rückwirkung auf den Steuerkreis ausnutzen, z. B. durch Parallelschalten eines entsprechend bemessenen Widerstandes zur Heizwendel.

Um die Einwirkung der Heizwendel auf den temperaturabhängigen Steuerwiderstand möglichst unabhängig von der Außentemperatur zu machen, empfiehlt es sich, Heizwendel und Steuerwiderstand in ein abgeschlossenes, gegebenenfalls mit einer besonderen Atmosphäre gefülltes Gefäß einzubauen. Mit der Anordnung nach der Erfindung lassen sich automatische Taktgeber, z. B. für die selbsttätige Belichtungszeitbegrenzung, Schweißzeitbegrenzung oder andere Anwendungsgebiete der industriellen Elektronik aufbauen. Gegenüber den auf dem Prinzip der Kondensatorentladung basierenden Taktgebern erlaubt es die beschriebene Anordnung, ohne die Verwendung von großen Kondensatoren zu beliebig großen Taktzeiten zu gelangen. Hinzu kommt noch der Vorteil, daß sich ein Bereich der Taktzeit von mehreren Minuten bis zu Bruchteilen einer Sekunde ohne die Umschaltung einer mehr oder weniger großen Anzahl von Kondensatoren erzielen läßt.

Ein anderes Anwendungsgebiet ergibt sich bei der Verwirklichung eines kontaktlosen Verzöge,-rungsrelais, bei der das Einschalten durch einen von außen auf den Steuerkreis wirkenden Impuls, das verzögerte Ausschalten, das dem verzögerten Abfall eines herkömmlichen Relais gleichkommt, jedoch durch Rückwirkung eines Arbeitsstromes, vorzugsweise des Kollektorstromes, auf den Steuerkreis gemäß der Erfindung durchgeführt werden. Bei einer Weiterbildung der Erfindung zum Aufbau eines kontaktlosen Verzögerungsrelais werden die Primärseiten zweier Übertrager zwischen den Kollektor einer vom Steuerkreis direkt beeinflußten PNP-Kristallode und die Basis einer nachgeschalteten NPN-Kristallode gelegt. Die Sekundärseiten sind getrennt herausgeführt und stellen gewissermaßen die Kontakte einer zweidrähtigen, wechselstrommäßigen Durchschaltung dar. Ein- und Ausgänge können dabei vertauscht werden. Eine Übertragung des Eingangssignals zum Ausgang findet nur dann statt, wenn die PrimärSeiten der hintereinandergeschalteten Übertrager über einen Widerstand derart verbunden werden, daß ein Stromfluß zustande kommt. Der Durchlaß- oder Sperrzustand des kontaktlosen Relais ist demnach vom Arbeitspunkt der im Stromkreis der Primärseiten der Übertrager liegenden Kristallode abhängig, die hierzu einen Öffnungsimpuls über eine elektrische Weiche im Emittorkreis der PNP-Kristallode erhält. Das verzögerte Eintreten des Sperrzustandes der Übertragerkombination, das einem verzögerten Abfall eines herkömmlichen Relais gleichkommt, erfolgt durch die Rückwirkung eines Arbeitsstromes, vorzugsweise des Kollektorstromes, diesmal jedoch von dem Kollektor der NPN-Kristallode aus auf den Steuerkreis der PNP-Kristallode, so daß hier eine Rückwirkung über zwei Kristallodenstufen vorliegt.

Im folgenden wird an Hand von fünf Abbildungen die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltungsanordnung für zwei Anwendungsbeispiele näher erläutert.

Abb. ι zeigt die prinzipielle Ausführung des Erfmdungsgedankens;

Abb. 2 hat als Ausführungsbeispiel ein kontaktloses Verzögerungsrelais zum Gegenstand;

Abb. 3 zeigt die negative Widerstandskennlinie der zur Verwendung kommenden-Kristalloden;

Abb. 4 gibt ein normales L/_C-/_C-Kennlinienfeld einer Flächentriode mit Steuerung von der Basisseite wieder; in

Abb. 5 ist die Kennlinie eines temperaturabhängigen Widerstandes in Abhängigkeit von der der Heizwendel zugeführten, elektrischen Leistung gezeigt.

In der Abb. 1 ist F eine Kristallode mit einer negativen Widerstandskennlinie; mit B ist der Emittor, mit K der Kollektor und mit B die Basis bezeichnet. Ein temperaturabhängiger, zusätzlich geheizter Widerstand R_T liegt im Basiskreis, die Heizwendel Hegt im Kollektorkreis. R₁ ist ein ohmscher Widerstand im Emittorkreis und R₂ ein ohmscher Widerstand im Kollektorkreis. An Stelle von oder zusätzlich zu i?_o kann auch die Wicklung eines elektromechanischen Relais eingefügt werden. Im Schaltbedspiel (Abb. 1) liegt z. B. ein temperaturabhängiger Widerstand R_T im Basiskreis einer Kristallode, er könnte aber auch im Emittorkreis liegen. Durch den Widerstand R₁ im Emittorkreis in Verbindung mit der Spannung an der Basiselektrode sei die Kristallode so eingestellt, daß sie sich auf einem Arbeitspunkt mit großem Strom befindet (Abb. 3). Im Kollektorkreis fließt jetzt ein erhöhter Strom, der gleichzeitig eine Heizwendel durchfließt. Die Heizwendel liegt unmittelbar um den temperaturabhängigen Widerstand und ändert dadurch dessen Widerstandswert. Durch die Erwärmung wird dieser Widerstandswert erheblich 120. heruntergesetzt. Das Basispotential wird also angehoben gegenüber dem Emittorpotential, das Emittorpotential wird negativer. Auf der Widerstandskennlinie (Abb·. 3) wird die Strecke α durchlaufen, und der Transistor springt nach Erreichen des Kippunktes auf seinen Arbeitspunkt mit kleinem

Strom zurück. Durch diesen Rücksprung wird naturgemäß auch der Kollektorstrom herabgesetzt. In der Heizspirale fließt ebenfalls ein stark verminderter Strom,'dadurch erkaltet der temperaturabhängige Widerstand und bekömmt seinen alten Wert wieder. Hat der Widerstand seinen alten Wert erreicht, so wird jetzt die Spannung am Basispunkt abgesenkt, der Emittor wird positiver gegenüber dem Basispunkt und springt nun wieder

ίο auf einen Arbeitspunkt mit großem Strom. Durch die Wahl der Widerstände und des Arbeitspunktes können die Schaltzeiten beliebig eingestellt werden. Da außerdem der Heizstrom für die Heizwendel eine wesentliche Rolle für die Schaltzeiten spielt, kann dieser Strom sehr klein gehalten werden, und dadurch können die Ruhe- und Schaltzeiten sehr lang sein. Es kann z. B. nur ein Teil des Kollektorstromes durch die Heizwendel geleitet werden und der Rest durch einen Parallelwiderstand. Dieses hier beschriebene Schaltbeispiel eignet sich besonders für sehr langsame, selbständige Schaltvorgänge.

Außer dieser selbständig arbeitenden Schaltanordnung kann auch eine Beeinflussung durch von außen aufgedrückte Signale erfolgen. In diesem Fall besteht also zusätzlich die Möglichkeit, eine Relaisanordnung mit Kristalloden durch einen äußeren Vorgang zu steuern.

In Abb. 2 ist ein Schaltbeispiel gezeigt, das einmal als selbständiger Taktgeber arbeiten kann, aber auch durch äußere Signale steuerbar ist. F₁ ist ein Transistor vom PNP-Typ und F₂ ein Transistor vom NPN-Typ.· Zwischen dem Kollektor K des PNP-Transistors und der Basis B des NPN-Transistors liegen die Übertrager U₁ und U₂. Im Emittorkreis liegt der ohmsche Widerstand R₁, im Kollektorkreis der Widerstand R₂. In einer gemeinsamen Zuführung für die N-Schichten des PNP- und NPN-Transistors liegt der ohmsche Widerstand i?₄. Der Widerstand R₁ wird zum Mittelpunkt eines Spannungsteilers geführt, der aus dem ohmschen Widerstand R^ und dem temperaturabhängigen Widerstand R_T gebildet ist. Die Kondensatoren sind Trennstellen zu einem anderen Potential und führen die Bezeichnung C₁ und C₂. Das negative Potential ist, über die Heizwendel zum Widerstand R_z geführt.

Der temperaturabhängige Widerstand Rt bildet mit einem ohmschen Widerstand R₃ einen Spannungsteiler für die Basiselektrode. Durch dieses Spannungsteilerverhältnis kann der Arbeitspunkt der Kristallode, in diesem Fall der Kristallodenkombination, so eingestellt werden, daß bei einem Relaisbetrieb eine bestimmte gewünschte Verzögerung eintritt. Es ist möglich, durch den Spannungsteiler in Verbindung mit dem Strom für die Heizwendel jede gewünschte Verzögerung einzustellen. Die Schaltung kann so eingeregelt werden, daß automatisch nach einer mehr oder weniger langen Ruhezeit eine mehr oder weniger lange Arbeitszeit erfolgt. Versuche ergaben automatische Ruhezeiten von über 300 Sekunden und dazugehörige Arbeitszeiten von nur wenigen Sekunden, andere dazwischenliegende Zeiten sind jederzeit einstellbar. Es können also während der Arbeitszeiten irgendwelche Signale entweder direkt über die Kristallode oder aber über zusätzliche Schaltwerke gegeben werden.

Die Schaltung kann aber auch so eingestellt werden, daß ein von einer äußeren Stelle kommender Impuls die Relaisanordnung mit Kristalloden einmal betätigt. In diesem Fall wird die Kristallode durch äußere Impulse von einem Arbeitspunkt mit kleinem Strom über einen Punkt b (Abb. 3) zu einem Punkt mit großem Strom gesteuert. Das 75-Potential am Spannungsteilerende des Widerstandes R_T ist positiv gegenüber dem Spannungsteilerende R_s. Ist jetzt die Kristallode zu einem Arbeitspunkt mit großem Strom gesprungen, so fließt ein erhöhter Strom durch die Heizspirale, der Widerstand Rt wird erwärmt, und sein Wert nimmt ab. Dadurch wird das Basispotential positiver und das Emittorpotential also negativer gegenüber dem Basispotential. Auf der negativen Widerstandskennlinie wird die Strecke α durchlaufen, und der Transistor springt auf seinen Arbeitspunkt zurück. Durch geeignete Wahl des Spannungsteilerverhältnisses und die Festlegung des Arbeitspunktes bleibt auch bei erkaltetem Widerstand R₁- der Transistor auf dem Arbeitspunkt mit kleinem Strom.stehen, und nur ein neuer ankommender Impuls löst einen neuen Arbeitsvorgang aus.

Die selbständig arbeitende und steuerbare Relaisanordnung mit Kristalloden kann direkt als Relais in einen Leitungsweg geschaltet werden. Abb. 2 zeigt die Möglichkeit, die selbständig arbeitende und steuerbare Relaisanordnung mit Kristalloden in einem Leitungsweg als Verzögerungsrelais einzusetzen. Die Arbeitsbedingungen sind so eingestellt, daß die Kristallode in Bereitschaftsstellung auf einem Arbeitspunkt mit kleinem Strom steht, im Übertragerkreis fließt kein Strom. Kommt auf den Steuerkreis ein Impuls, so springt die Kristallodenkombination über den Punkt b (Abb. 3) auf den zweiten stabilen Arbeitspunkt um, der Stromfluß steigt stark an, und die Übertragung ist freigegeben. Es steigt aber auch der Strom in der Heizwendel, und der temperaturabhängige Widerstand wird kleiner (bei negativem Temperaturkoeffizienten). Bei einer bestimmten Größe dieses Widerstandes wird der Punkt erreicht, wo das Emittorpotential gegenüber dem Basispotential se weit negativ geworden ist, daß ein Rücksprung zur Ausgangsstellung erfolgt. Auf dieser jetzt eingenommenen Stellung bleibt die Anordnung so lange stehen, bis ein neues Signal einen neuen Arbeitsvorgang auslöst.

Die beiden hintereinandergeschalteten Übertrager U₁ und U₂ bilden den Ein- und Ausgang einer zweidrähtigen wechselstrombetriebenen Durchschaltung. Solange die Kristalloden gesperrt sind und kein Strom durch die Übertragerwicklungen fließt, ist die Verbindung getrennt. Nach dem vorstehend beschriebenen Umsprung werden die Kristalloden niederohmig und die Verbindung zwischen U₁

und U₂ über die Kristalloden hergestellt; damit ist die Durchschaltung erfolgt. Die Polarität der an den Eingangsübertrager gelegten Signale ist beliebig, gleichfalls welcher Übertrager als Eingangs- oder Ausgangsübertrager benutzt wird.

Naturgemäß könnten 'die Übertrager auch im Ein- und Ausgang der gesamten Schaltanordnung oder beide Übertrager gemeinsam im Emittorkreis liegen. Da aber z. B. bei Sprachübertragungen

ίο Nutzamplitu'den in der Größe der Steuerimpulse auftreten können, besteht die Gefahr, daß der Punkt b überschritten oder die Strecke α durchlaufen wird (Abb. 3). Die Kristallode würde in diesem Fall auf den anderen stabilen Arbeitspunkt springen, und die Verbindung w.ire gestört. Nur bei konstanten Nutzamplituden und demgegenüber großem Steuerimpuls kann der Eingangsübertrager in einem Steuerkreis liegen und über den gleichen Leitungsweg Steuerimpuls und Nutzsignal gegeben

werden. Bei der Anordnung nach Abb. 2 wird die Gefahr einer Beeinflussung von Nutz- und Steuersignal 'durch die Trennung von Steuer- und Betätigungskreis beseitigt.

Die hier angeführten Schaltbeispiele erschöpfen

nicht die im Rahmen des Erfindungsgedankens liegenden Anwendungsmöglichkeiten. So kann z.B. in der Abb. 1' an Stelle eines Widerstandes oder eines elektromechanischen Relais im Außenkreis eine weitere Kristallode liegen.

In der Abb. 3 ist die negative W^:derstandskennlinie der bistabilen Kristalloden aufgezeichnet. Die beiden stabilen Arbeitspunkte sind durch die Pfeilspitzer; angedeutet. Durch einen positiven Impr s verlagert sich der Arbeitspunkt von b in der Rich-

tung höheren Stromes bis zu dem durch die verbundenen Pfeilspitzen gekennzeichneten oberen Ende der Strecke a. Durch einen negativen Impuls oder eine Senkung der Emittorspannung in der Größe der Strecke a, kann der rückläufige Umsprung zu einem Punkt kleinen Emittorstromes ausgelöst wenden.

Die Abb. 4, ein normales ÜV/c-Kennlinienfeld einer Flächentriode mit einer Steuerung von der Basisseite, läßt die Begrenzung der eingezeichneten Nutzamplitude erkennen.

Aus der Abb. 5, einer experimentell aufgenommenen Kurve, läßt sich ersehen, daß bereits sehr geringe der Heizwendel zugeführte Leistungen ausreichende Widerstandsänderungen des temperaturabhängigen Steuerwiderstandes Rf hervorrufen.

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   i. Kontaktlose Relaisänordnung mit beliebig

   verzögerter, selbsttätiger Auslösung mittels bistabiler Kristalloden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Arbeitsstrom, vorzugsweise der Kollektorstrom, der Kristallode beim Durchfließen einer Heizwendel einen in derem unmittelbaren Wirkungsbereich angebrachten temperaturabhängigen Widerstand im Emitter- oder Basiskreis in seinem Wert derart beeinflußt, daß die hierdurch eintretende Potentialverschiebung nach einer einstellbaren Zeitspanne ein Umspringen von dem einen auf den anderen stabilen Arbeitspunkt, oder umgekehrt, auslöst.
2. 2. Kontaktlose Relaisanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß durch Parallelschalten eines entsprechend bemessenen Widerstandes zur Heizwendel nur ein Teil des Arbeitsstromes, vorzugsweise des Kollektorstromes, zur Rückwirkung auf den Steuerkreis ausgenutzt wird.
3. 3. Kontaktlose Relaisanordnung nach Anspruch ι und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Heizwendel und temperaturabhängiger Widerstand in ein abgeschlossenes, gegebenenfalls mit einer besonderen Atmosphäre gefülltes Gefäß eingebaut sind.
4. 4. Kontaktlose Relaisanordnung nach Anspruch ι oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschalten durch einen von außen über eine elektrische Weiche auf den Steuerkreis wirkenden Impuls/ das verzögerte Ausschalten durch Rückwirkung eines Arbeitsstromes, vorzugsweise des Kollektorstromfes, auf den Steuerkreis selbsttätig durchgeführt werden.
5. 5. Kontaktlose Relaisanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärseite zweier Übertrager zwischen den Kollektor einer von außen beeinflußten PNP-Kristallode und der Basis einer nachgeschalteten NPN-Kristallode gelegt ist, wobei die Sekundärseiten die Ein- und Ausgänge einer zweidrähtigen wechselstrombetriebenen Durchschaltung darstellen.
6. 6. Kontaktlose Relaisanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine

   ' Rückwirkung des Arbeitsstromes, vorzugsweise des Kollektorstromes, auf'den Steuerkreis über mehrere Kristallodenstufen hinweg erfolgen kann.
7. 7. Kontaktlose Relaisanordnung nach Anspruch ι oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand im Außenkreis der Anordnung eine zusätzliche Kristallode steuert.
8. 8. Kontaktlose Relaisanordnung nach Anspruch ι oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein herkömmliches elektromechanisches Relais im Außenkreis der Anordnung liegt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   & 609 657/368 10.56 (609 855 4. 57)