DE1233911B - Switching arrangement with magnetically controllable semiconductor - Google Patents

Description

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.Switching arrangement with magnetically controllable semiconductor It is known Build switching arrangements with semiconductor elements that are electrically controllable. Transistors and controllable semiconductor elements have proven to be the most common Diodes naturalized, which are often referred to as electronic relays. This collective term includes all components that act as switches, which carry out the desired switching operations without mechanically moving parts. Of the A particular advantage of such electronic relays is therefore to be seen in the fact that they do not have any mechanically moving contacts that depend on the number of operations Subject to wear and tear.

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.As is well known, the operational life is more electromagnetic Relay only limited because the contact arrangement after a certain number of switching operations fails, while the actual relay system is still completely is intact. However, the benefits that stand out from using it must be better known electronic relays in the form of electrically controllable semiconductor elements result, however, there are special disadvantages at the price of this. So is in the utility circuit because of the rectifying effect of most electronic relays in the reael only one current direction possible. In addition, the control circuit and the oil circuit electrically not separable from each other. The galvanic connection between control and utility circuit leads to the fact that with regard to the consumer to be switched Tension-wise certain considerations have to be taken. In addition, it is often difficult to adapt the input of an electronic relay to the control current source in such a way that optimal conditions are achieved. It can also be the case with electronic relays certain embodiment occur that with slow changes in the control current also the useful current increases only slowly, whereby the usually desired Jump characteristics cannot be achieved.

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.The "disadvantages of electromagnetic or electronic relays are avoided in a switching arrangement with magnetically controllable semiconductor, that in use as a relay an electromagnetic system with rotating or tilting armature a permanent magnet is attached to the end of the armature which is used to trigger the switch, which is in the working position of the relay to the magnetically controllable semiconductor approaches such that in the semiconductor and thus in the connected utility circuit a spontaneous increase in resistance occurs, which can be evaluated in the sense of a switch trigger is.

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.The relay system according to the invention therefore has no mechanically moved contacts, but rather the contact is triggered in a stationary manner. The contact arrangement is therefore also not subject to mechanical wear and is no longer dependent on environmental conditions. Although this is also the case with electronic relays of the type explained in more detail at the outset, the disadvantages that occur with these relays do not occur with a relay system according to the invention. The presence of an electromagnet system with a control winding that can be freely selected over a wide range not only provides a clear galvanic separation between the input circuit and the useful circuit of the magnetically controlled semiconductor, but also enables optimal adaptation to the control voltage. In addition, the change in resistance in the connected utility circuit is not dependent on the control current of the relay, but with a given spatial arrangement only from the EI CD arbitrarily fixed, -able field strength of the permanent magnet that causes the increase in resistance and attached to the armature. Furthermore, even with a slow change in the control current, the armature movement of the relay, which only occurs at a certain Erreaerstrom, creates a tilting characteristic for the useful circuit. A preferred embodiment of the invention provides that a two-pole with high electron mobility, preferably indium antimonide with metallic inclusions, is used as the magnetically controllable semiconductor. Whether the relay system is a neutral version or a polarized system is irrelevant for the application of the invention. While with a neutral relay system only the switch-on position can usually be recognized in the utility circuit, with a polarized system usually several operating positions should be recorded electrically. In addition, the rest position of the armature should occasionally also be evaluated electrically. In the case of a polarized relay with a central rest position and two working positions, at least one controllable semiconductor can then be assigned to each position of the armature.

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.The increase in resistance caused in the triggered state is expediently of the semiconductor by a downstream closed circuit in an opening of the utility circuit converted. For this you can use both an electromagnetic relay Select contact assembly or an electronic switching element, for example a transistor.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, wobei die Figur in vereinfachter Darstellung ein gepoltes Relais nach der Erfindung zeigt.Further details of the invention emerge from the following Description of an exemplary embodiment, the figure in a simplified representation shows a polarized relay according to the invention.

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.The individual components of the polarized relay shown in the figure are carried by a holder (not shown), which essentially consists of the exciter part, the part for premagnetization and the contact part. The premagnetization of the relay is achieved by a permanent magnet 2 attached under the armature 1. The excitation flow is generated by the excitation winding 3, through which current flows during operation and which has a mostly laminated iron core 4. Continuous flow and excitation flow are essentially superimposed in the working air gaps 5a and 5b. The armature of the relay has its pivot point 6 on a torsion spring, not shown, which is usually attached to a tensioning arm. The end la of the armature 1 is located between the pole pieces 4a and 4b of the iron core 4, while a permanent magnet 7 is attached to the other end of the armature, which is closest to the magnetically controllable semiconductor 8 a in the middle rest position of the relay shown.

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. If a control current in a certain direction flows through the excitation winding 3, the continuous flow is weakened in one air gap and increased in the other air gap, so that the armature 1 flips over to the side of the stronger flow. In this way, the movement of the armature 1 is made dependent on the direction of the control current in the field winding 3. This creates two end positions for the armature 1, corresponding to the direction of current in the exciter winding 3, which are usually defined by special stops. In these end positions of the armature 1 , the permanent magnet 7 is closest to either the semiconductor 8 b or the semiconductor 8 c.

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.Magnetically controllable semiconductors are known to be two-pole with high electron mobility and preferably consist of indium antimonide with metallic inclusions. If a permanent magnet is approached to such a semiconductor, its resistance increases due to the magnetic field acting on it. This applies equally to both polarities of the magnetic field. There is linearity between the effective magnetic field and the current flowing through the semiconductor, so that the semiconductor is to be understood as a controllable ohmic resistance. As such semiconductors, which are also referred to as field plates have, measurements extremely small waste and also the carrier often has only a thickness of about 0.5 mm, this can be accommodated readily instead of mechanical contacts and do not increase thereby the physical volume of a conventional electromagnetic Relays or their contact arrangements. In order to achieve a multiplication of contacts, several semiconductors of this type can be assigned to the individual operating positions of a relay and can be controlled by the same permanent magnet.

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.The present invention is of course not limited to that shown Embodiment limited. So one can take to achieve an anchor movement an electromagnetic drive system, choose a system that is electrodynamically, works electrostatically, electrothermally, piezoelectrically or magnetostrictively.

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.The achievable contact force is precisely with the drive systems mentioned often so small that a mechanical tap is difficult to implement in operational terms is. When using the invention, the free setting of the armature is sufficient to control the utility circuit.

Claims (2)

Patentansprüche: 1. Schaltanordnung mit mindestens einem magnetisch steuerbaren Halbleiter, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß in der Verwendung als Relais einem Elektromagnetsystem (3, 4) mit Dreh- oder Kippanker an dem der Schaltauslösung dienendem Ende (la) des Ankers (1) ein Dauermagnet (7) 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. Claims: 1. Switching arrangement with at least one magnetically controllable semiconductor, d a d urch g e -k e nnz eichnet that when used as a relay an electromagnetic system (3, 4) with rotating or tilting armature at the end serving to trigger the switch (la ) The armature (1) a permanent magnet (7) is attached, which approaches the magnetically controllable semiconductor in the working position of the relay in such a way that a spontaneous increase in resistance occurs in the semiconductor and thus in the connected useful circuit, which can be evaluated in the sense of a switching trigger. 2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetisch steuerbarer Halbleiter ein Zweipol mit großer Elektronenbeweglichkeit, vorzugsweise Indiumantimonid mit metallischen Einschlüssen, verwendet ist. 3. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektromagnetsystem mit Anker zum Erreichen eines gepolten Betriebsverhaltens eine Vormagnetisierung aufweist. 4. Schaltanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (1) mehrere Arbeitsstellungen besitzt, denen mindestens je ein magnetisch steuerbarer Halbleiter (8 b, 8 c) zugeordnet ist. 5. Schaltanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ruhestellung des Ankers (1) mindestens ein magnetisch steuerbarer Halbleiter (8 a) zugeordnet ist. 6. Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die im Auslösezustand bewirkte Widerstandszunahme des Halbleiters durch eine nachgeordnete Ruhestromschaltung in ein öffnen des Nutzstromkreises umwandelbar ist. 7. Schaltanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Aufbau einer Ruhestromschaltung jedem Halbleiter ein elektromagnetisches Relais entsprechender Kontaktbestückung zugeordnet ist. 8. Schaltanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Aufbau einer Ruhestromschaltung jedem Halbleiter ein elektronisches Schaltelement, beispielsweise ein Transistor, zugeordnet ist.2. Switching arrangement according to claim 1, characterized in that a two-terminal pole with high electron mobility, preferably indium antimonide with metallic inclusions, is used as the magnetically controllable semiconductor. 3. Switching arrangement according to claim 1, characterized in that the electromagnetic system with armature to achieve a polarized operating behavior has a premagnetization. 4. Switching arrangement according to claim 3, characterized in that the armature (1) has several working positions, each of which is assigned at least one magnetically controllable semiconductor (8 b, 8 c). 5. Switching arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that the rest position of the armature (1) is assigned at least one magnetically controllable semiconductor (8 a). 6. Switching arrangement according to claim 1 or the following, characterized in that the increase in resistance of the semiconductor caused in the tripped state can be converted into an opening of the useful circuit by a downstream closed-circuit current circuit. 7. Switching arrangement according to claim 6, characterized in that an electromagnetic relay is associated with corresponding contacts for the construction of a closed-circuit current circuit each semiconductor. 8. Switching arrangement according to claim 6, characterized in that an electronic switching element, for example a transistor, is assigned to each semiconductor for the construction of a quiescent current circuit.