NL8203522A - Polariteitsgevoelig halfgeleiderrelais. - Google Patents

Description

, *· > -1.-

Polariteitsgevoelig halfgeleiderrelais.

Gedurende enige tientallen jaren is het gebruike-lijk elektrische signalen toe te passen bij spoorbanen voor het besturen van de treinbediening en/of aangeven van de positie. In een eenvoudig systeem wordt een relais continu 5 bekrachtigd gehouden met een stroom over beide sporen van een baanvak en wordt het relais stroomloos gemaakt wanneer een trein het baanvak binnentreedt, daar de trein zelf de twee spoorstaven van het baanvak shunt of onder-ling verbindt. Het systeem is zodanig uitgevoerd, dat 10 het verschijnen van de trein in plaats van een relais te doen aanspreken de bekrachtiging hiervan doet verbreken. Dit is om veiligheidsredenen, daar een storing zoals een voedingsonderbreking eerder een relais stroomloos zal maken dan haar bekrachtigen en het in het algemeen als veiliger 15 beschouwd wordt een fout-signaal te leveren, dat de aanwezigheid van een trein aangeeft, dan een fout-signaal te verkrijgen, dat de afwezigheid van een trein aangeeft.

Daar rails op de grond worden gedragen, bestaat de neiging tot een lekstroom tussen de rails als gevolg . 20 van sneeuw, ijs en/of water tezamen met andere toestanden, die de verbindingsdelen en/of stenen^ballast, die de rails ondersteunen, ongunstig kunnen beinvloeden. Overmatige lekstroom zou kunnen leiden tot een fout trein-aanwezig-signaal.

25 Zoals voor de met relais vertrouwde vakman duide- lijk zal zijny zal een relais bekrachtigd blijven bij een stroom, die aanzienlijk kleiner is dan de stroom, die nodig is om het relais vanuit haar onbekrachtigde toestand te doen aanspreken. Teneinde de kans op het verkrijgen 30 van fout-signalen van deze aard te reduceren, werden systemen ingevoerd, die een detecterend relais verschaften, dat periodiek werd bekrachtigd en stroomloos gemaakt, ook wanneer een trein niet aanwezig was. Wanneer een trein aanwezig was zou ook indien de shunt over de sporen 35 niet voldoende goed was om het relais stroomloos te doen maken, het relais stroomloos worden gemaakt door de pul-seerketen en dan krachtens de shunt over het spoor niet 8203522 % i.

- 2 - meer in staat zijn om opnieuw aan te spreken. Dergelijke relais worden aangeduid met codegevoelige spoorrelais.

Hoewel relais van dit type gedurende enige tientallen jaren zijn toegepast/kleven hieraan bepaalde problemen. Teneinde 5 bijvoorbeeld een betrouwbare werking van het relais te garanderen, ongeacht ongunstige weersomstandigheden, trilling en vervuiling van de lucht en/of andere voor de vakman bekende omstandigheden, is het noodzakelijk relais te verschaffen, die relatief veel plaatsruimte nodig hebben, 10 hoge kosten met zich medebrengen en zware beschermings-huizen vereisen.

In de loop der jaren zijn verfijnde technieken ontwikkeld voor het toepassen van relais en spoorsignalen voor aanzienlijk meer gecomplieeerde funkties dan tot Ϊ5 dusver beschreven. De relais kunnen bijvoorbeeld worden toegepast in systemen voor het regelen van verkeerslichten en kruispuntslagbomen en/of het leveren van signalen naar en van een treinstuurcabine met betrekking tot te verwachten toestanden en/of met betrekking tot geschikte 20 snelheden. Vele andere toepassingen zijn voor de met de spoorwegsignaleertechniek vertrouwde vakman voldoende bekend en de toepassingen en technieken worden alleen begrensd door de grens van de vindingrijkheid van de constructeurs.

25 Relais met de beschreven eigenschappen vinden het meest toepassing in communicatiesystemen; Voorbeelden zijn de reeds genoemde spoorwegsignaalsystemen, telegraaf-systemen, telexsystemen, telefoonschakelsystemen en andere systemen, alleen beperkt door-tie^vindingrijkheid 30 van de ontwerper. Het zal derhalve duidelijk zijn, dat hoewel het gegeven uitvoeringsvoorbeeld is beschreven als toepassing in een spoorwegsignaleersysteem, zij ook toepassing zou kunnen vinden in andere systemen, waarin de beschikbare eigenschappen bruikbaar kunnen zijn.

35 Een voorbeeld van een systeem, waarin gebruik wcrdt gemaakt van relais van het zo juist beschreven type, is te vinden in het Amerikaanse octrooischrift 2.934.636, ingediend 26 april 1960, van de aanvraagster. In het Amerikaanse octrooischrift 3.879.004, ingediend 22 april 40 1975, van de aanvraagster, wordt een iets meer verfijnd 8203522 - 3 - systeem beschreven, dat zelfs werkt in een vervoersysteem, waarin niet noodzakelijkerwijze wordt gebruik gemaakt van stalen wielen, die rijden over stalen rails. Van de aanvraagster verscheen verder nog het Amerikaanse 5 octrooischrift 4.172,576, ingediend 30 oktober 1979, dat een nog meer verfijnd systeem beschrijft, waarin gebruik is gemaakt van vele moderne elementen en half-geleidercomponenten. Zoals in dit octrooischrift is uiteengezet, worden gekozen kritische funkties uitgevoerd 10 in antwoord op het aanspreken en/of stroomloos maken van relais overeenkomstig die, beschreven in oudere octrooischriften en gedurende enige tientallen jaren toegepast. Ten slotte is van de aanvraagster het Amerikaanse octrooischrift 4.236.093, ingediend 25 novem-15 ber 1980, verschenen,waarin een inrichting bekend is, die kan reageren op de nadering van een trein en die geen relais bevat van het type, dat gedurende de laatste tientallen jaren is toegepast.

Volgens de uitvinding wordt een constructie en 20 keten verschaft van een polariteitsgevoelig halfgeleider-relais, dat kan worden gebruikt op een code-reagerende wijze. Een magnetische afscherming kan zijn opgenomen teneinde het overbrengen van een magnetische invloed naar of van andere componenten te verhinderen. Het 25 halfgeleiderrelais kan een enkele Wiegand-draad of een paar Wiegand-draden bevatten, die geplaatst zijn in een magnetisch veld, dat uiteraard zou kunnen worden verschaft door hetzij permanente, hetzij elektromagneten. Om elke Wiegand-draad zijn twee spoelen gewonden, 30 te weten een stuurspoel en een ingangssignaalwikkeling, die verder zal worden aangeduid met spoor-wikkeling.

De stuurspoelen zijn gewoonlijk in serie geschakeld en zodanig gericht, dat de flux, die zij leveren, in dezelfde richting verloopt als de flux van het magnetische veld.

35 Voor een code-reagerende werking wordt gebruik gemaakt van ketenmiddelen, die een stroora door de stuurspoelen pulserend aan- en uitschakelen. Wanneer er geen stroom in de spoorwikkelingen is, zijn de magnetische velden over beide Wiegand-moduuls gelijk. De spoorwikkelingen 40 zijn in serie geschakeld, doch zodanig gericht, dat bij 8203522 i ‘ * - 4 - een spoor-!,gelijkstroom het door de spoorwikkeling van de ene Wiegand-draad voortgebrachte veld tegengesteld is aan bet door de spoorwikkeling van de andere Wiegand-draad voortgebrachte veld. Bij een spoor-stroom van een bepaalde 5 polariteit, wordt derhalve het voor-magnetiserend polarisatie-veld in de ene :πο1μ\ι1 bevorderd en in de andere moduul - tegengewerkt« Wanneer gebruik is gemaakt van een enkele

Wiegand-moduul kan de polariteit van de spoor-stroom het vaor-magnetisatieveld versterken of tegenwerken.

10 Behalve de stuurwikkelingen en de spoorwikkelingen bevat elk van de Wiegand-draden een opneem- of uitgangs-signaalwikkeling, die een uitgangspuls zal leveren telkens wanneer de Wiegand-moduul van toestand omschakelt. Voor een meer volledige uiteenzetting van de constructie en 15 eigenschappen van Wiegand-draden wordt verwezen naar het Amerikaanse octrooischrift 3.892.118, ingediend 1 juli 1975 door J.R. Wiegand.

Voor het van toestand doen omschakelen van de Wiegand-moduuls en het leveren van uitgangspulsen moet het 20 omringende magnetische veld, van polariteit veranderen.

Wanneer derhalve geen spoorstroom is toegevoerd, zal geen enkele Wiegand-moduul een uitgangssignaal leveren.

Wanneer een spoor-stroom van de ene polariteit wordt aangelegd zal de ene moduul verder van haar nuldoorgangs-25 toestand af worden gepolariseerd en verder worden uitge-schakeld, terwijl de andere moduul bij een voldoende grote spoor-stroom eventueel zodanig wordt gepolariseerd, dat het omringende veld zowel positief als negatief wordt gepulseerd. In dit geval zal de Wiegand-moduul korte 30 uitgangspulsen aan haar opneemspoel afgeven met de frequentie van het stuursignaal.

De uitvinding heeft ten doel te voorzien in een verbeterd polariteitsgevoelig relais.

Meer in het bijzonder beoogt de uitvinding te 35 voorzien in een nieuw en verbeterd polariteitsgevoelig relais, dat vervaardigd is van halfgeleiderelementen.

De uitvinding beoogt ook te voorzien in een polariteitsgevoelig halfgeleiderrelais, waarin gebruik wordt gemaakt van Wiegand-draadmoduuls.

40 Verder heeft de uitvinding ten doel te voorzien 8203522 - 5 - in een relais van het bovenbeschreven karakter, dat code-reagerend is.

De uitvinding beoogt verder te voorzien in een relais van het beschreven karakter, dat is afgeschermd ten-5 einde de overdracht van magnetische invloed naar en van andere componenten te verhinderen.

Een cinder oogmerk van de uitvinding is te voorzien in een relais van het bovenbeschreven karakter, dat kleiner en economischer is dan de tot nu toe bekende 10 elektromechanische relais.

Nog een ander oogmerk van de uitvinding is te voorzien in een relais van het bovenbeschreven karakter, waarvoor geen mechanische instellingen of bijregelingen vereist zijn.

15 Een verder oogmerk van de uitvinding is.te voorzien in een relais, waarvan de spoelen een minimum tijdconstante hebben, waardoor een hogere bedienings-frequentie mogelijk wordt.

Nog een verder oogmerk van de uitvinding is 20 te voorzien in een relais, dat storingsveilig is, dat wil zeggen geen uitgangssignaal zal leveren, ongeacht of er een storing in ein van de componenten optreedt.

Ten slotte beoogt de uitvinding te voorzien in een storingsveilig relais, dat eerst zal werken bij 25 een potentiaal, die niet kleiner is dan een tevoren bepaalde drempelpotentiaal.

De uitvinding zal hieronder nader worden - ' toegelicht aan de hand van de tekening, waarin bij wijze ~ "van voorbeeld een gunstige uitvoeringsvorm van het relais 30 volgens de uitvinding is weergegeven. Hierin toont: . fig. 1A schematisch de hoofdelementen van . een gunstige uitvoeringsvorm van het polariteitsgevoelige halfgeleiderrelais volgens de uitvinding, fig. IB schematisch de hoofdelementen van een 35 neutraal voorgemagnetiseerd spoorrelais, fig. 2A ... 2F grafieken van de magnetische veldsterkte over de tijd onder verschillende orastandig-heden, fig. 3 een grafiek van de detectiespoelpuls-40 amplitude als funktie van de spoorwikkelingsstroom, en 8203522 - 6 - • t * fig. 4 een schake1schema van de verschillende besturings- en uitgangselementen.

Met elkaar corresponderende elementen zijn in de verschillende figuren met dezelfde verwijzingsgetallen 5 aangeduid en teneinde de aard van de gebruikte keten- elementen gemakkelijk te identificeren zijn de weerstanden, condensatoren en transistoren aangeduid met een verwijzings-getal, dat resp. wordt voorafgegaan door R, C en Q,

Fig. 1A toont de hoofdconstructie-elementen, 10 waaruit het polariteitsgevoelige halfgeleiderrelais volgens de uitvinding, dat in haar geheel met het verwijzingsgetal 100 is aangeduid,. is opgebouwd. Het halfgeleiderrelais 100 bevat een eerste Wiegand-moduul 101 en een tweede Wiegand-moduul 111. De Wiegand-moduuls 101 en 111 zijn geplaatst 15 in een magnetisch gelijkstroom-voormagnetisatieveld met een richting zoals aangegeven met de pijlen 121. De gelijkstroom-voormagnetisatie 121 kan worden verschaft door middel van (niet nader weergegeven) permanente mag-neten en/of (evenmin nader weergegeven) elektromagneten.

20 Elk van de Wiegand-moduuls 101 en 111 zijn omwonden door twee spoelen. De eerste spoel bestaat uit een stuurspoel, waarvan de over beide moduuls verdeelde delen resp. zijn aangeduid met 102 en 112. Zoals uit fig. 1A blijkt, zijn de stuurspoelen 102 en 112 in serie^geschakeld en zodanig 25 gericht, dat wanneer een stroom door deze spoelen gaat, de door hen geleverde flux dezelfde richting heeft als de flux van het gelijkstroomvoormagnetisatieveld 121.

Een ingangspotentiaal 122 wordt aangelegd aan de leiding 123 van de stuurspoel 102 en een stroom zal gaan door 30 de stuurspoelen 102 en 112 in serie en uittreden aan de leiding 124 en naar aarde 125 afvloeien wanneer een transistor 126 in de aangeschakelde toestand is. Voor een code-reagerende werking wordt de transistor 126 uit-en aangeschakeld in antwoord op het aanleggen van een 35 blokgolfingangssignaal 127 aan de basis van de transistor 126 zoals nog nader zal worden uiteengezet aan de hand van fig. 4.

Verder heeft elk van de Wiegand-moduuls 101 en 111 een spoorwikkeling of ingangssignaalwikkeling 103, 40 resp. 113. De wikkelingen 103 en 113 zijn in serie 8203522 Γ" ·" ·· .-7- geschakeld, doch tegengesteld gericht zodat wanneer door de in serie geschakelde wikkelingen 103 en 113 een spoor-gel ijkstroom vloeit, het door de ene wikkeling voortge-brachte magnetische veld tegengesteld is aan het door de 5 andere wikkeling voortgebrachte veld. Wanneer derhalve een spoorstroom van een bepaalde polariteit vloeit zal het voormagnetisatieveld in €§n van de moduuls 101 en 111 worden versterkt en in de andere moduul worden tegengewerkt.

Fig. IB toont een neutraal voorgemagnetiseerd 10 relais 100', dat is opgebouwd uit slechts een enkele

Wiegand-iaoduul, die overige'ns overeenkomt met die uit fig. 1A. Het relais 100' wordt geacht gevoelig te zijn voor een stroom in de ene richting door een wikkeling 103, doch ongevoelig voor een stroom in de andere richting 15 door de wikkeling 103.

Het relais 100' uit fig. IB stelt een vereen-voudigde versie van het nog nader uiteen te zetten relais 100 uit fig. 1A voor, zodat een meer gedetailleerde beschrijving van het relais 100' uit fig. IB overbbdig 20 wordt geacht en de verdere gedetailleerde beschrijving z ich zal beperken tot de uitvoeringsvorm van fig. 1A.

Fig. 2A .,. 2F tonen de verschillende mogelijke toestanden van de magnetische veldsterkte van de Wiegand-moduuls 101 en ill. Meer in het bijzonder zijn in .-25 fig. 2Ά ... 2F de magnetische veldsterktewaarden in gauss als funktie van de tijd weergegeven voor de verschillende stroomtoestanden in de spoorwikkelingen 103 en 113. In fig. 2A en 2B stelt de horizontale stippellijn de gelijkstroom-voormagnetisatie 121 uit fig. ΙΑ (IB) 30 voor. Wanneer er geen stroom door de wikkelingen 103 en 113 vloeit, zal de magnetische veldsterkte in de moduuls 101 en 111 van de positieve voormagnetisatie-waarde, voorgesteld met de stippellijn, stijgen tot een meer positieve waarde, waarvan de grootte een funktie 35 is van het produkt van de stroom in de wikkelingen 102 en 112 en het aantal windingen van deze wikkelingen.

De veldsterkte stijgt en daalt met een frequentie zoals bepaald door de frequentie van het blokgolfingangssignaal 127 aan de basis van de transistor 127. Wanneer de 40 spoelen 102 en 112 identiek zijn, blijken ook de krommen 8203522 - 8 - van fig. 2A en 2B identiek te zijn. De veldsterktekrommen zijn niet blokgolfvormig wegens de inductantie van de wikkelingen 102 en 112.

In fig. 2C en 2D stellen de krommen de veldsterkte 5 van resp. de moduuls 101 en 111 voor wanneer er een spoor-stroom van een tevoren bepaalde polariteit vloeit door de in serie geschakelde spoorwikkelingen 103 en 113.

Hierbij wordt er aan herinnerd, dat de wikkelingen 103. en 113 zodanig zijn geschakeld, dat het door de ene wikke-10 ling voortgebrachte magnetische veld tegengesteld gericht is aan het door de andere wikkeling voortgebrachte magnetische veld. Wanneer derhalve een spoorstroom van een gegeven richting vloeit, wordt de veldsterkte van de moduul 101 evenredig gereduceerd, terwijl de veldsterkte 15 van de moduul 111 evenredig wordt versterkt. Pig. 2E en 2F tonen het geval, waarin een spoorstroom van de tegengestelde polariteit door de in serie geschakelde wikkelingen 103 en 113 vloeit, waarbij de veldsterkte in de moduul 101 zal worden versterkt, terwijl die van de 20 moduul 111 zal worden verzwakt.

De moduuls 101 en 111 zijn behalve van de stuurwikkelingen 102 en 112 en de spoorwikkelingen 103 en 113 voorzien van resp. detectie- of uitgangssignaal-spoelen 104; en 114. De detectiespoelen 104 en 114 detecteren 25 wanneer hun respectieve moduuls 101 en ill van toestand omschakelen en leveren uitgangspulsen. Voor het van toestand doen omschakelen van de Wiegand-moduuls 101 en 111 en het leveren van uitgangspulsen voor hun detectiespoelen 104 en 114 moet het omgevende magnetische veld 30 van polariteit veranderen. Zoals uit fig. 2A en 2B blijkt, zal wanneer er geen spoorstroom is aangelegd aan de wikkelingen 103 en 113, geen van de Wiegand-moduuls een uitgangssignaal leveren, daar het magnetische veld niet van polariteit verandert. Bij het aanleggen van een spoor-35 stroom van een bepaalde polariteit zal de ene moduul verder van de nul-fluxwaarde vandaan worden gepolariseerd en verder worden afgeschakeld. De andere moduul wordt bij een voldoende spoorstroom eventueel zodanig gepolariseerd, dat het omgevende veld zowel positief als negatief 40 ' gepulseerd wordt. In dit geval zal deze Wiegand-moduul 8203522 -.-9- korte uitgangsptilsen aan haar detectiespoel 104 of 114 leveren met een frequentie, die correspondeert met die van de blokgolfingang 127 aan de transistor 126, waarmede de stroam in de stuurwikkelingen 104 en 112 wordt gestuurd.

5 Wanneer de spoorstroom de polariteit zoals weergegeven in fig. 2C en 2D heeft, zal dan de moduul 101 uitgangspulsen aan de detectiespoel 104 leveren, daar het omringende magnetische veld van polariteit verandert. Omgekeerd zal bij een spoorstroom van de tegengestelde polariteit 10 zoals weergegeven in fig. 2E en 2F de Wiegand-moduul 111 een uitgangssignaal aan de detectiespoel 114 leveren.

De Wiegand-moduuls 101 en 111 zullen bij een asyrametrische stuurtoestand, dat wil zeggen wanneer de fluxuitwijkingen in de ene richting aanzienlijk groter 15 zijn dan in de andere richting, aan hun respectieve detectiespoelen 104 en 114 een maximum uitgangspulsampli-tude leveren. De pulsamplitude in de detectiespoelen van de Wiegand-moduuls bij verschillende spoorstroomniveau's is grafisch voorgesteld in fig. 3, De detectiespoel 104 20 of 114 van de Wiegand-moduul 101, resp. Ill zal geen uitgangssignaal leveren alvorens de gelijkstroompolarisatie is overwonnen. Deze stroomwaarde is in fig. 3 aangegeven met Im· Wanneer de spoorwindingstroom toeneemt zal de grootte van de uitgangspuls aan de detectiewikkeling 25 104 of 114 sterk stijgen totdat zij een maximum heeft bereikt. Bij een verder toenemen van de spoorstroom zal de uitgangspulsamplitude worden verkleind. Deze gereduceerde uitgangspuls treedt op doordat het stuursignaal in toenemende mate symmetrisch wordt en eventueel asymmetrisch van de 30 tegengestelde polariteit. Indien de spoorstroom voldoende hoog is worden mogelijk de Wiegand-moduuls verder in de negatieve richting gepolariseerd en worden geen uitgangspulsen geleverd. De Wiegand-moduuls 101 en 111 hebben der-halve een werkingsgebied, dat afhankelijk is van de ampli-35 tude van het veld, voortgebracht door de stuurspoelen.

Gebleken is, dat een stuurveld met een topwaarde van circa 300 gauss een geschikt werkingsgebied voor de beoogde toepassing verschaft. Het is waarschijniijk, dat voor andere toepassingen andere stuurveldtopwaarden meer geschikt zijn.

40 Zoals werd opgemerkt, kan de voor-magnetisatie 8203522 ♦ ‘ -10- 121 voor de moduuls 101 en 111 worden verschaft door middel van permanente· magneten of elektromagneten. Tenzij het gewenst is om de voormagnetisatie in antwoord op een elek-trisch signaal te kunnen varieren, wordt overwogen perma-5 nente magneten te gebruiken, daar zij minder onderhevig zijn aan storing en minder energie vereisen.

De stuurspoelen 102 en 112 zouden ook parellel kunnen worden geschakeld, doch het in serie schakelen ervan biedt het voordeel, dat indien in £en van de spoelen 10 een onderbreking optreedt, er een totale storing in plaats van een partiele storing is.

Stuurspoelconstructie

Het voor een gewenste magnetische veldsterkte be-15 nodigde aantal amperexwindingen (NI) kan door middel van standaardvergelijkingen en/of experimenteel worden vast-gesteld.

Voor een gewenste veldsterkte in de grootte-orde van 300 gauss bleken de stuurspoelen 102 en 112 ongeveer 20 850 amper.e-'Windingen te moeten hebben. Het zou mogelijk zijn de constructie uit te voeren met elk aantal spoelen.

Het is duidelijk, dat een geringer aantal windingen resul-teert in een verkleinde buitendiameterafmeting van de spoel. Deze verkleining van de afmeting gaat evenwel gepaard met 25 een verhoogde stroom en energiedissipatie, die nodig is om het produkt NI konstant te houden. Een gunstig spoelont-werp maakt een gereduceerd dwarsdoorsnedey-gebied van de stuurspoel mogelijk. Een gereduceerd spoelgebied verschaft twee voordelen. In de eerste plaats kunnen de totale afme-30 tingen van de spoel worden gereduceerd en in de tweede plaats kan de spoelinductantie worden gereduceerd doordat de inductantie in elke spoel rechtevenredig is met haar dwarsdoorsnedegebied. Een gereduceerde spoelinductantie maakt een gereduceerde tijdkonstante (T=L/R) van de spoel 35 mogelijk, waardoor de spoel kan werken met hogere frekwen-ties. Een gereduceerd dwarsdoorsnedegebied van de stuur-spoel heeft echter ook een verhoogde inductieve koppeling tussen de stuurspoel 102, respektievelijk 112 en de detec-tectiespoel 104, respektievelijk 114 tot gevolg.

40 8203522 .-11-

Mechanische constructie

De mechanische constructie van de inrichting volgens fig.l kan worden geplaatst in een huis van een legering, die een magnetisch scherm vormt, welk huis een afmeting 5 heeft van circa 6,3 x 10 x 2,5 cm. Ondervonden is, dat de Wiegand-draadmoduuls direkt kunnen worden gevormd binnen de kunststof spoel, waarop de stuur- en spoorwikkelingen zijn gewonden. Een gesphikte Wiegand-draadmoduul is het model Nr. 30366, vervaardigd door de Sensor Engineering 10 Company. Deze modellen hebben dezelfde elektrische eigen-schappen als hun model 30020.

De gelijkstroomvoormagnetisatie voor de Wiegand-draagmoduuls 101 en 111 kan worden verschaft door een aan-tal paren cilindermagneten, die zodanig zijn geplaatst, 15 dat hun velden op §en lijn liggen met elke Wiegand-moduul en alle in dezelfde richting liggen teneinde van de ene groep magneten naar de andere een gelijkstroomveld voort te brengen over de Wiegand-moduuls. Het werkingspunt van de inrichting kan worden ingesteld door de magneten naar de 20 spoelhouders toe of hiervanaf te doen bewegen. De constructie zou zodanig kunnen zijn uitgevoerd, dat de bovenste of de onderste of zowel de bovenste als onderste permanente magneten kunnen worden bijgesteld. Gebleken is, dat een magneetbijstelling op gemakkelijke wijze kan worden ver-25 schaft, waarbij de opneemstroom van de relais 100 over een bevredigend gebied varieerde.

Schermmateriaal

De meeste schermmateriaalfabricanten vervaardigen 30 drie kwaliteiten magnetisch schermmateriaal, elk met ver-schillende magnetische schermeigenschappen. Een ijzerlege-ring van globaal 4% silicium is goedkoop beschikbaar, doch vertoont relatief geringe schermeigenschappen. Een midden^ kwaliteit legering van globaal 50% nikkel, dat door de 35 meeste fabricanten wordt geleverd, verschaft aanzienlijk betere schermeigenschappen dan het voren genoemde goedkopere materiaal. Tenslotte is een nog betere kwaliteit van globaal 80% nikkel beschikbaar.

De doelmatigheid van een materiaal als magnetisch 40 scherm is afhankelijk van het permeabiliteit en/of de 8203522 -12- systeemeisen. Materialen van hoge permeabiliteit werken als goed scherm en bieden een Xage reluctantie aan de magnetische krachtlijnen in vergelijking met de reiuctan-tie van de ruimte binnen het scherm. De materialen van 5 hogere kwaliteit hebben een maximum permeabiliteit in de grootte-orde van 100.000 tot 250.000. De silicium-ijzer-materialen van lagere kwaliteit kunnen een permeabiliteit van 8.000 hebben. Anderzijds hebben de materialen van betere kwaliteit een lagere verzadigingsinductie. Wanneer 10 een materiaal naar haar verzadigingstoestand gaat, verliest zij haar schermeigenschappen, daar zij verdere aangroei van het magnetische veld niet kan verwerken. Het verhoogde veld zal dan door de ruimte binnen het scherm gaan. Bij een lage veldsterkte zal derhalve een materiaal van hoge 15 kwaliteit een beter scherm verschaffen dan een materiaal van lage kwaliteit, doch bij hoge veldsterkten kan een materiaal van lage kwaliteit een betere afscherming bieden doordat het niet verzadigd is.

Deze en andere geschikte factoren moeten in aanmer-20 king worden genomen bij de keuze van het schermmateriaal.

Elektronische keten

Fig.4 toont een meer gedetailleerde keten voor het bedienen: van de constructie volgens fig.l. De keten uit 25 fig.4 behoeft niet noodzakelijkerwijze te zijn uitgevoerd voor het tonen van de fysische betrekking tussen de ver-schillende wikkelingen zoals het geval is in fig.lA en IB.

De wikkelingen 102, 103, 104, 112, 113 en 114 zijn evenwel alle terug te vinden in fig.4. Ook de bij de spoelen 104 30 en 114 behorende respektieve leidingen 105 en 115 uit fig.

1A zijn in fig.4 eveneens weergegeven en aangesloten op een negatieve potentiaal zoals in fig.4 met V- is aange-geven. De andere leidingen 106 en 116 van deze detectie-spoelen zijn respektievelijk aangesloten op uitgangspuls-35 niveaudetectors 107 en 117. Het zal duidelijk zijn dat de twee uitgangspulsniveaudetectors 107 en 117 identiek zijn.

Qm deze reden is alleen de keten voor de uitgangspulsniveau-detector 107 in fig.4 meer en detail weergegeven.

Het zal duidelijk zijn, dat de weergegeven ketens 40 illustratief zijn voor het type regelingen en detectors, 8203522 -13- da t kan worden verschaft en dat andere en/of gewijzigde ketens kunnen worden verschaft t.er aanpassing van de eisen van het systeem, waarin het polariteitsgevoelige halfge-leider kan worden toegepast.

5 Aan de keten in fig.4 wordt energie toegevoerd vanuit een geschikte gelijkstroomenergiebron, waarvan de positieve aansluitklem in fig.4 is aangegeven met V+ en de negatieve aansluitklem met het reeds eerder genoemde symbool V-. Het effectieve stuursignaal wordt geleverd 10 door een CMOS-multivibrator 131. De CMOS-multivibrator levert een blokgolfuitgangssignaal, dat wordt aangelegd aan de basis van een transistor Ql. De afstemming van de multivibrator 131 wordt verschaft door de keuze en/of instelling van een weerstandR3.De blokgolfuitgang aan 15 de leiding 132 wordt versterkt door transistoren Ql en Q2, die worden gebruikt voor het schakelen van de stroom door de stuurspoelen 102 en 112.

Zoals werd opgemerkt, wordt door het verkleinen van de afmetingen van de stuurspoelen 102 en 112 de in-20 ductieve koppeling tussen deze spoelen en hun respektieve opneemspoelen 104 en 114 van de Wiegand-moduuls 101 en 111 vergroot. Gebleken is, dat de resulterende inductieve koppeling voldoende groot was om het relais 100 bekrach-tigd te houden zonder dat een spoorstroom aanwezig was.

25 De in de opneemspoelen geinduceerde spanning was namelijk groter dan 2 volt, dit is de drempelwaarde van de uitgangs-pulsdetectors 107 en 117. Voor het reduceren van de induc-tief gekoppelde spanning werd een condensator C4 met vier aansluitkontakten toegevoegd teneinde de aan/uit-schakel-30 frekwentie van de transistor Q2 te vertragen en de ver1· anderingsgraad van de door de stuursignalen geleverde flux te reduceren, waardoor ook de spanning, geinduceerd in de opneemspoelen 104 en 114 werd gereduceerd. Door het toe-voegen van de condensator C4 werd de geinduceerde spanning 35 gereduceerd tot 0,3 volt, hetwelk een bevredigende veilig-heidsmarge voor een drempelwaarde van 2 volt verschaft.

Voor een nadere uiteenzetting van het doel en de werking van een condensatorinrichting met vier aansluitkontakten wordt verwezen naar het USA octrooischrift 3.959.763, in-40 gediend 25 mei 1976, van de aanvraagster.

8203522 -14-

Zoals eerder is opgemerkt, zijn de uitgangspuls-niveaudetectors 107 en 117 identiek, om welke reden alleen de keten voor de detector 107 irteer en detail is weergegeven. De niveaudetectie wordt uitgevoerd door middel van een ver-5 schilversterker, gevormd door transistoren Q3 en Q4 voor de positieve niveaupulsdetector 107. De basis van de transistor Q4 is aangesloten op een referentiepotentiaal, ver-schaft door de weerstand-spanningsdeler Rll, R12. Hiervan moet de weerstand Rll een "alleen verlaag" i.sgoringswijze-10 weerstand en R12 een "alleen verhoog" storingswijzeweer-stand zijn. Dit verschaft storingsveilige toestanden onder storingsomstandigheden, waarbij de referentiespanning en de detectiedrerapel alleen dan kunnen toenemen. De weerstand R8 moet een "alleen verhoog " storingswijze-weerstand 15 zijn. Wanneer de ingangsspanning aan de transistor Q3 kleiner is dan de drempelspanning zal de transistor Q3 in de uit-toestand zijn, terwijl de transistoren Q4 en Q5 aan worden gehouden. Wanneer de ingangsspanning de refe-rentiespanningswaarde overschrijdt, wordt de transistor Q3 20 aan-geschakeld en worden de transistoren Q4 en Q5 uitgescha-keld. De ketenuitgang wordt afgenomen aan de collector van de transistor Q5 en bestaat uit een reeks negatief-gaande pulsen met een frekwentie van het stuursignaal, geleverd door de multivibrator 131. Een trekkerbare monostabiele 25 multivibrator 108 wordt gebruikt voor het vergroten van de pulsbreedte teneinde een voldoende energie te verschaffen voor het sturen van een lichtemitterende diode, die een visuele aanwijzing van de ketenbedieningen verschaft. Zoals reeds eerder is opgemerkt, werkt de negatieve pulsniveau-30 detector 117 op dezelfde wijze als de detector 107. In fig.4 zijn bij de meeste weerstanden de kenmerkende weer-standswaarden bijgeschreven.

De inductantie van de spoorwikkelingen 103 en 113 is in de grootte-orde van 143 microhenry, hetwelk zeer 35 laag is in vergelijking met de conventionele mechanische relais. Het zal duidelijk zijn, dat een in de rails inge-voerde ruis van 60 Hz zou kunnen leiden tot een foutieve werking van het relais 100 of 100' tenzij voorzieningen zijn getroffen voor het verhogen van het ruisuitzeefvermogen.

40 Het is raadzaam gebleken om in serie met de spoorwikkelingen 8203522 -— - —-- -15- 103 en 113 een blokkeerinduetor te plaatsen teneinde een interferentie van 60 Hz-signalen in het spoor te verhin-deren.

De normale ruisvrije uitgang van het relais 100 5 bestaat hetzij uit geen pulstrein aan de uitgangsleidingen 109 en 119, hetzij een doorlopende pulstrein, die verschijnt aan de ene of de andere van de uitgangsleidingen met een konstante frekwentie, die overeenkomt met de frekwentie van het stuursignaal. De ruis over de uitgangsleidingen 10 109 en/of 119 zou kunnen worden geintegreerd door de uitgangspulsen te tellen of te integreren over een korte tijdsperiode, die bijvoorbeeld gelijk is aan £Sn of twee cyeli van 60 Hz. Wanneer geen ruis aanwezig is, moet de telling een konstante waarde hebben, die gelijk is aan 15 het aantal stuurpulsen in de toebedeelde tijdsperiode.

Door deze telling kan de ruis worden gereduceerd. Wanneer bijvoorbeeld geen gelijkstroom aanwezig is, doch een zeer hoge stroom van 60 Hz vloeit, kan het stroomniveau een bepaalde drempelwaarde slechts voor 50% van de tijdsduur 20 overschrijden. De pulstelling van eSn van de niveaudetectors 107 of 117 zou derhalve over de toebedeelde tijdsperiode worden gereduceerd met 50%. Evenzo zal bij een gelijkstroom, groter dan de vloeiende opneemstroom, het gelijkstroom-ruiseffect een daling van de uitgangstelling zijn indien 25 de ruis de ingangsstroom doet dalen beneden de drempelwaarde. Het ruiseffect bestaat derhalve uit het veroorzaken van een tellingsreductie, die kan worden geinterpreteerd als ruis in plaats van als signaal. Dit is een storing in de veilige richting.

30 Het zal duidelijk zijn, dat het polariteitsgevoelige en code-reagerende halfgeleiderrelais 100 of het neutraal voorgemagnetiseerde relais 100' kan worden toegepast over een ruim toepassingsgebied, dat zich ver uitstrekt voor-bij de gegeven spoorbaantoepassing. In andere toepassings-35 gevallen kunnen de gebruikte spanningen en spoelconstruc-ties varieren.

Naast de beschreven uitvoeringsvorm zijn velerlei gewijzigde uitvoeringsvormen mogelijk zonder hierbij buiten het kader van de uitvinding te treden zoals voor de vakman 40 duidelijk zal zijn. De stuurspoelen kunnen bijvoorbeeld 8203522 -16- parallel worden geschakeld, terwijl ook andere spoelconfigu-raties en/of gewijzigde bedieningsketen kunnen worden ge-bruikt.Opgemerkt wordt, dat met de beschrijving van de ge-• geven uitvoeringsvorm kan worden volstaan zonder hierbij 5 aanpassingen aan specifieke eisen in andere toepassings-gevallen uit te sluiten.

-conclusies- ¾ 8203522

Claims (26)

1. 6. Relais volgens conclusie 2, met het kenmerk, 5 dat de gepulseerde stroom in de eerste spoel uit en aan wordt gepulseerd door middel van een multivibrator.
2. 7. Relais volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat de uitgangspuls wordt aangelegd aan een detector, die * 10 een verschilversterker bevat, die reageert wanneer de uitgangspuls een tevoren bepaalde drempelspanning overschrijdt.
3. 8. Relais volgens conclusie 7,met het kenmerk, dat de detector een orgaan voor het visueel signaleren van 15 een ketenbediening bevat.
4. 9. Relais volgens conclusie 8,met het kenmerk, dat het visuele signaleerorgaan bestaat uit een licht-emitterende diode. 20
5. 10. Relais volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de detector een opnieuw trekkerbare monostabiele multivibrator bevat voor het vergroten van de pulsduur van het uitgangssignaal teneinde voldoende energie te verschaffen 25 voor het sturen van het visuele signaal.
6. 11. Relais volgens conclusie 6,met het kenmerk, dat verder een versterker aanwezig is voor het versterken van de pulsingang aan de eerste spoel. 30
7. 12. Relais volgens conclusie 11,met het kenmerk, dat de versterker een regelorgaan bevat voor het reduceren van de veranderingsgraad van de flux, geleverd door het stuursignaal. 35
8. 13. Relais volgens conclusie 12,met hetkenmerk, dat het regelorgaan bestaat uit een condensator.
9. 14. Relais volgens conclusie 13, methet kenmerk, 40 dat de condensator een condensator met vier aansluitkontak- 8203522 -19- ten is.
10. 15. Relais volgens conclusie 2, m e t hetkenmerk, dat met de detectiespoel een niveaudetector is gekoppeld 5 voor het reageren op het uitgangssignaalniveau van de detectiespoel alleen wanneer het signaalniveau een tevoren bepaalde drempel overschrijdt.
11. 16. Relais volgens conclusie 15, met hetkenmerk, 10 dat de niveaudetector een regelorgaan bevat voor het verhin- deren, dat de niveaudetectors reageren op signalen beneden Het drempelniveau. lT.Relais volgens conclusie 16, met het kenmerk, 15 dat het regelorgaan bestaat uit een paar weerstanden, waar-van de ene een "alleen veriaag" storingswijze-weerstand is, terwijl de andere een "alleen verhoog" storingswijze- weerstand is. 20 18.Polariteitsgevoelig halfgeleiderrelais, met h et k e n m e r k, dat zij bestaat uit een eerste en een tweede Wiegand-moduul, die elk een detectiespoel voor het leveren van uitgangspulsen in antwoord op fluxomkeringen hebben, uit een permanent magnetisch veld voor het voormagnetiseren 25 van de eerste en de tweede Wiegand-moduul met een tevoren bepaald fluxveld, uit een eerste, over zowel de eerste als de tweede moduul gewonden spoel voor het leveren van een flux met dezelfde orientatie in de eerste en de tweede moduul in antwoord op een stroom in de eerste spoelen, en 30 uit een tweede, over zowel de eerste als de tweede moduul gewonden spoel voor het leveren van een flux met tegenge-stelde orientaties in de eerste en de tweede moduul in antwoord op een stroom in de tweede spoelen, waarbij bij een stroom van een eerste richting in de tweede spoelen het 35 permanente magnetische veld wordt gesteund en tegengewerkt in respektievelijk de eerste en de tweede moduul, terwijl bij een stroom van een tweede richting, tegengesteld aan de eerste richting, in de tweede spoelen het permanente magnetische veld wordt tegengewerkt en gesteund in respek-40 tievelijk de eerste en tweede moduul. 8203522 * * -20-
12. 19. Relais volgens conclusie 18, m e t het k e n- . m e r k, dat de stroom in de eerste spoel aan en uit wordt gepulseerd voor het tot stand brengen van fluxomkeringen in de ene of de tweede moduul wanneer een stroom binnen 5 een tevoren bepaald gebied in de tweede spoelen vloeit.
13. 20. Relais volgens conclusie 19,met het ken-m e r k, dat middelen zijn verschaft voor het instellen van de sterkte van het permanente magnetische veld. 10
14. 21. Relais volgens conclusie 20, met het ken-m e r k, dat het permanente magnetische veld wordt verschaft door permanente magneten. 15 22.Relais volgens conclusie 20, m e t het k e n-m e r k, dat het permanente magnetische veld wordt verschaft door elektromagneten.
15. 23. Relais volgens conclusie 19,met het ken-20 m e r k, dat de eerste spoelen in serie zijn geschakeld.
16. 24. Relais volgens conclusie 19,met het ken-m e r k, dat de gepulseerde stroom in de eerste spoelen aan en uit wordt gepulseerd door middel van een multivi- 25 brator.
17. 25. Relais volgens conclusie 18,met het ken-m e r k, dat de uitgangspulsen worden aangelegd aan een detector, die een verschilversterker bevat, die reageert 50 wanneer de uitgangspulsen een tevoren bepaalde drempel-spanning overschrijden.
18. 26. Relais volgens conclusie 25,met het ken- m e r k, dat de detector een orgaan voor het visueel sig-55 naleren van een ketenbediening bevat.
19. 27. Relais volgens conclusie 26,met het ken- m e r k, dat het visuele signaleerorgaan bestaat uit een licht-emitterende diode. 40 8203522 -21- — ~
20. 28. Relais volgens conclusie 27, m e t het ken-m e r k, dat de detector een opnieuw trekkerbare mono-stabiele multivibrator bevat voor het vergroten van de pulsduur van het uitgangssignaal teneinde voldoende energie 5 te verschaffen voor het sturen van het visuele signaleer-orgaan.
21. 29. Relais volgens conclusie 24, i e t het k e n-m e r k, dat verder een versterker aanwezig is voor het 10 versterken van de pulsingang aan de eerste spoelen.
22. 30. Relais volgens conclusie 29,met het ken- m e r k, dat de versterker een regelorgaan bevat voor het reduceren van de veranderingsgraad van de flux, geleverd 15 door het stuursignaal.
23. 31. Relais volgens conclusie 30, met het ken- m e r k, dat het regelorgaan bestaat uit een condensator. 20 32.Relais volgens conclusie 31, m e t het k e n-m e r k, dat de condensator een condensator met vier aan-sluitkontakten is.
24. 33. Relais volgens conclusie 19,met het k e n -25 m e r k, dat met de detectie-spoelen van de eerste en van de tweede moduul respektievelijk een eerste en een tweede niveaudetector zijn gekoppeld voor het reageren op het uitgangssignaalniveau van de detectiespoelen alleen wan-neer het signaalniveau een tevoren bepaalde drempel over-30 schrijdt.
25. 34. Relais volgens conclusie 33,met het ken- m e r k, dat de niveaudetectors regelorganen bevatten teneinde het reageren van de niveaudetectors op signalen be-35 neden het drempelniveau te verhinderen.
26. 35. Relais volgens conclusie 34,met het ken- m e r k, dat het regelorgaan bestaat uit een paar weerstan-den, waarvan de ene een "alleen verlaag" storingswijze-40 weerstand en de andere een "alleen veahoog" storings- 8203522 -22- wijze-weerstand is. 8203522