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Schaltanordnung mit magnetisch steuerbarem Halbleiter Es ist bekannt,
Schaltanordnungen mit Halbleiterelementen aufzubauen, die elektrisch steuerbar sind.
Als derartiae Halbleiterelemente haben sich vor allem Transistoren und steuerbare
Dioden eingebürgert, die vielfach auch als elektronische Relais bezeichnet werden.
Unter diesem Sammelbegriff hat man alle als Schalter wirkenden Bauelemente zu verstehen,
welche die gewünschten Schaltvorgänge ohne mechanisch bewegte Teile ausführen. Der
besondere Vorteil derartiger elektronischer Relais ist also darin zu sehen, daß
sie keine mechanisch bewegten Kontakte besitzen, die einem von der Schaltzahl abhän-,-i-en
Verschleiß unterlie-en.
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Bekanntlich ist die betriebsmäßige Lebensdauer elektromagnetischer
Relais nur dadurch beschränkt, weil die Kontaktanordnung nach einer bestimmten Zahl
von Schaltspielen versagt, während das eigentliche Relaissystem aber noch völlig
intakt ist. Allerdings müssen die Vorteile, die sich durch die Verwendung bekannter
elektronischer Relais in Form von elektrisch steuerbaren Halbleiterelementen ergeben,
jedoch durch besondere Nachteile erkauft werden. So ist im Nutzstromkreis wegen
der gleichrichtenden Wirkung der meisten elektronischen Relais in der Reael nur
eine Stromrichtung möglich. Außerdem ist der Steuerstromkreis und der l,lutzstromkreis
elektrisch nicht voneinander trennbar. Die galvanische Verbindung zwischen Steuer-
und Nutzstromkreis führt dazu, daß hinsichtlich des zu schaltenden Verbrauchers
spannungsmäßig gewisse Rücksichten genommen werden müssen. Außerdem ist es oft schwierig,
den Eingang eines elektronischen Relais derart an die Steuerstromquelle anzupassen,
daß optimale Verhältnisse erreicht werden. Ferner kann es bei elektronischen Relais
bestimmter Ausführungsform vorkommen, daß bei langsamen Änderungen des Steuerstroms
auch der Nutzstrom nur langsam ansteigt, wodurch sich die in der Regel gewünschte
Sprungcharakteristik nicht erreichen läßt.
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Die"Nachteile elektromagnetischer bzw. elektronischer Relais werden
bei einer Schaltanordnung mit magnetisch steuerbarem Halbleiter dadurch vermieden,
daß in der Verwendung als Relais einem Elektromagnetsystem mit Dreh- oder Kippanker
an dem der Schaltauslösung dienenden Ende des Ankers ein Dauermagnet befestigt ist,
der sich in der Arbeitsstellung des Relais dem magnetisch steuerbaren Halbleiter
derart nähert, daß im Halbleiter und damit im angeschlossenen Nutzstromkreis eine
spontane Widerstandserhöhung eintritt, die im Sinne einer Schaltauslösung auswertbar
ist.
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Das Relaissystem nach der Erfindung weist also keine mechanisch bewegten
Kontakte auf, sondern die Kontaktauslösung erfolgt ruhend. Daher unterliegt die
Kontaktanordnung auch nicht einem mechanischen Verschleiß und ist auch nicht mehr
von Umweltbedingungen abhängig. Dies ist zwar auch bei elektronischen Relais der
eingangs näher erläuterten Art der Fall, doch die bei diesen Relais auftretenden
Nachteile treten bei einem Relaissystern nach der Erfindung nicht auf. So ist durch
das Vorhandensein eines Elektromagnetsystems mit einer in einem großen Bereich frei
wählbaren Steuerwicklung nicht nur eine eindeutige galvanische Trennun- zwischen
dem Eingangskreis und dem Nutzstromkreis des magnetisch gesteuerten Halbleiters
vorhanden, sondern es ist auch eine optimale Anpassung an die Steuerspannung möglich.
Außerdem ist die Widerstandsänderung im angeschlossenen Nutzstromkreis nicht vom
Steuerstrom des Relais abhängig, sondern bei gegebener räumlicher Anordnung nur
von der EI CD
beliebig festle,-baren Feldstärke des die Widerstandserhöhung
bewirkenden und am Anker befestigten Dauermagneten. Ferner entsteht auch bei langsamer
Änderung des Steuerstroms durch die erst bei einem bestimmten Erreaerstrom auftretende
Ankerbewegung des Relais eine Kippcharakteristik für den Nutzstromkreis. Eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung sieht dabei vor, daß als magnetisch steuerbarer Halbleiter
ein Zweipol mit großer Elektronenbeweglichkeit, vorzugsweise Indiumantimonid mit
metallischen Einschlüssen, verwendet ist.
Ob es sich bei
dem Relaissystem um eine neutrale Ausführung oder um ein gepoltes System handelt,
ist für die Anwendung der Erfindung gleichgültig. Während bei einem neutralen Relaissystem
in der Regel nur die Einschaltstellung im Nutzstromkreis erkennbar ist, sollen bei
einem gepolten System meist mehrere Betriebsstellungen elektrisch erfaßt werden.
Außerdem soll gelegentlich auch die Ruhestellung des Ankers elektrisch ausgewertet
werden. Bei einem gepolten Relais mit einer mittleren Ruhestellung und zwei Arbeitsstellungen
kann dann jeder Stellung des Ankers mindestens ein steuerbarer Halbleiter zugeordnet
werden.
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Zweckmäßigerweise wird die im Auslösezustand bewirkte Widerstandszunahme
des Halbleiters durch eine nachgeordnete Ruhestromschaltung in ein öffnen des Nutzstromkreises
umgewandelt. Dazu kann man sowohl ein elektromagnetisches Relais entsprechender
Kontaktbestückung wählen oder auch ein elektronisches Schaltelement, beispielsweise
einen Transistor.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, wobei die Figur in vereinfachter Darstellung
ein gepoltes Relais nach der Erfindung zeigt.
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Von einer nicht dargestellten Halterung werden die einzelnen Bauteile
des in der Figur gezeigten gepolten Relais getragen, wobei es sich im wesentlichen
um den Erregerteil, den Teil zur Vormagnetisierung und den Kontaktteil handelt.
Die Vormagnetisierung des Relais wird durch einen unter dem Anker 1 angebrachten
Dauermagneten 2 erreicht. Den Erregerfluß erzeugt die betriebsmäßig stromdurchflossene
Erregerwicklung 3, die einen meist lamellierten Eisenkern 4 besitzt. Dauerfluß
und Erregerfluß überlagem sich im wesentlichen in den Arbeitsluftspalten 5a und
5b. Der Anker des Relais hat seinen Drehpunkt6 an einer nicht dargestellten
Torsionsfeder, die in der Regel an einem Spannann befestigt ist. Das Ende la des
Ankers 1 befindet sich zwischen den Polschuhen4a und 4b des Eisenkerns4,
während am anderen Endelb des Ankers ein Dauermagnet7 angebracht ist, der in der
gezeigten mittleren Ruhestellung des Relais dem magnetisch steuerbaren Halbleiter
8 a am nächsten ist.
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Wird die Erregerwicklung3 von einem Steuerstrom bestimmter Richtung
durchflossen, so wird der Dauerfluß in dem einen Luftspalt geschwächt und im anderen
Luftspalt verstärkt, so daß der Anker 1 nach der Seite des stärkeren Flusses
umlegt. Auf diese Weise wird die Bewegung des Ankers 1 von der Richtung des
Steuerstroms in die Erregerwicklung 3 abhängig gemacht. Damit entstehen für
den Anker 1,
entsprechend der Stromrichtung in der Erregerwickluno,
3, zwei Endstellungen, die in der Regel durch besondere Anschläge definiert
sind. In diesen Endstellunaen des Ankers 1 ist der Dauermagnet
7 entweder dem Halbleiter 8 b oder dem Halbleiter 8 c am nächsten.
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Magnetisch steuerbare Halbleiter sind bekanntlich Zweipole mit großer
Elektronenbeweglichkeit und bestehen vorzugsweise aus Indiumantimonid mit metallischen
Einschlüssen. Nähert man einem derartigen Halbleiter einen Dauermagnet, so nimmt
durch das auf ihn wirkende Magnetfeld sein Widerstand zu. Dies gilt in g gleicher
Weise für beide Polaritäten des Magnetfeldes. Es besteht dabei zwischen dem wirksamen
Magnetfeld und dem durch den Halbleiter fließenden Strom Linearität, so daß der
Halbleiter als steuerbarer ohmscher Widerstand aufzufassen ist. Da derartige Halbleiter,
die auch als Feldplatten bezeichnet werden, extrem kleine Ab-
messungen besitzen
und auch der Träger oft nur eine Dicke von etwa 0,5 mm aufweist, können diese
ohne weiteres statt mechanischer Kontakte untergebracht werden und vergrößern dabei
nicht das Bauvolumen üblicher elektromagnetischer Relais bzw. deren Kontaktanordnungen.
Um eine Kontaktvervielfachung zu erreichen, können den einzelnen Betriebsstellungen
eines Relais auch mehrere Halbleiter dieser Art zugeordnet werden und sind dabei
vom gleichen Dauermagneten steuerbar.
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Die vorliegende Erfindung ist naturgemäß nicht auf das dargestellte
Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann man zum Erreichen einer Ankerbewegung statt
eines elektromagnetischen Antriebssystems ebenso ein System wählen, das elektrodynamisch,
elektrostatisch, elektrothermisch, piezoelektrisch oder magnetostriktiv arbeitet.
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Gerade bei den genannten Antriebssystemen ist die erreichbare Kontaktkraft
vielfach so gering, daß ein mechanischer Abgriff betriebsmäßig schwierig zu verwirklichen
ist. Bei Anwendung der Erfindung reicht bereits die freie Einstellung des Ankers
zur Steuerung des Nutzstromkreises aus.