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Quecksilberrelais Die Erfindung betrifft ein Quecksilberrelais mit
in einem zylindrischen Behälter vakuumdicht eingeschmolzenen Elektroden und einem
magnetisch betätigten Anker.
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Es ist bekannt, zum Schließen und Unterbrechen von Stromkreisen Quecksilberschaltröhren
mit zwei eingeschmolzenen Elektroden zu verwenden, bei denen ein innerhalb der Röhre
angeordneter Tauchkörper durch einen außerhalb der Röhre vorgesehenen Elektromagneten
gesteuert wird. Der Quecksilberspiegel in der Röhre wird durch den Tauchkörper gehoben
oder abgesenkt, so daß das Quecksilber eine Verbindung zwischen den Elektroden herstellt
oder eine bzw. beide freigibt. In dem einen Fall wird ein Stromkreis geschlossen
und im anderen unterbrochen. Der verhältnismäßig komplizierte Aufbau dieser Röhren
steht aber einer allgemeinen Verwendung entgegen..
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Es wurden auch bereits elektromagnetische Relais mit Quecksilberkontakten
beschrieben. Diese Relais bestehen aus einem geschlossenen Behälter, in dem Elektroden
eingeschmolzen sind. Der Behälter ist teilweise mit Quecksilber gefüllt, dessen
Oberfläche durch die Bewegung eines von außen magnetisch gesteuerten Ankers gehoben
bzw. gesenkt wird und dadurch die Kontakte überbrückt und unterbricht. Mit diesem
Relais sollen aber nur verschiedene öffnungs-oder Schließzeiten erreicht werden,
und zwar wird die Bewegung durch das langsame Entweichen des Quecksilbers durch
eine Kapillare verzögert, was ein langsames Ansprechen des Relais zur Folge hat.
Eine andere Ausbildung offenbart hingegen ein langsam abfallendes Relais.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln ein
Relais mit prellfreien, geräuschlosen Kontakten zu schaffen, das sich als Durchschalteglied
zur Zusammenarbeit mit elektronischen Bauteilen eignet. Dieses Relais soll außerdem
auch keine zusätzlichen Schaltglieder, beispielsweise eine Feder, für die Aufbringung
einer Rückstellkraft erfordern. Diese Aufgabe wird durch ein Quecksilberrelais mit
in einem zylindrischen Behälter vakuumdicht eingeschmolzenen Elektroden erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß in dem Behälter auf einem Quecksilbertropfen ein Anker, der
vorzugsweise für Quecksilber benetzbar ist, aufliegt, der den Quecksilbertropfen
im Betriebszustand zur Bildung einer Brücke zwischen zwei Elektroden elastisch verformt
und die Oberflächenspannung des Quecksilbers gleichzeitig zur Rückstellung des Ankers
dient. Die Brücke zwischen den Elektroden wird demnach bei der Erfindung durch die
elastische Verformung eines kleinen Quecksilbertropfens. geschlossen, dessen Oberflächenspannung
als Rückstellkraft dient. Die Relaiskontakte nach der Erfindung haben sehr kleine
Abmessungen und schalten geräuschlos und prellfrei. Die Ansprechzeit ist außerdem
sehr klein. Die Kontakte der Quecksilberrelais sind außerdem unempfindlich gegen
Verstaubung und Korrosion und arbeiten mit einer vernachlässigbar kleinen Durchgangsdämpfung.
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Der das Quecksilber enthaltende Behälter ist gasdicht verschlossen
und mit einer geeigneten Atmosphäre, z. B. Wasserstoff, gefüllt. Das Quecksilber
hat, wenn es in einer Wasserstoffatmosphäre abgeschlossen ist, sehr günstige Schalteigenschaften,
so daß mit sehr kleinem Leistungsaufwand auch verhältnismäßig große Ströme geschaltet
werden können.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind in -den Patentansprüchen enthalten
und in der nachfolgenden Beschreibung an Hand der Figuren erläutert.
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F i g. 1 zeigt ein Quecksilberrelais mit einem Arbeitskontakt, F i
g. 2 mit einem Ruhekontakt, F i g. 3 mit einem Umschaltekontakt und F i g. 4 ein
gepoltes Quecksilberrelais.
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In einem Glas- oder Keramikbehälter 1 sind zwei Elektroden 2, 3 eingeschmolzen.
Auf dem etwas hochgewölbten Boden des Behälters befindet sich ein Quecksilbertropfen
4, auf dem ein zylindrischer oder kugelförmiger Anker 5, der vom Quecksilber benetzbar
ist, aufliegt. Der Durchmesser dieses Ankers ist so bemessen, daß er im Behälter
reibungsarm gleiten kann. Die beiden Elektroden ragen so weit in das Gefäßinnere,
daß das Quecksilber im Ruhezustand keine Brücke zwischen ihnen bilden kann. Eine
Erregerspule C ist von einer Eisenflußführung 7 umgeben, in der ein Ringluftspalt
8 vorgesehen ist.
In der F i g. 1 ist ein Relais mit einem Arbeitskontakt
dargestellt. Beim Einschalten der Erregerspule 6 wird der aus weichmagnetischem
Material bestehende Anker 5 durch den in dem magnetischen Kreis auftretenden Fluß
nach unten bewegt. Dadurch erfolgt eine Verformung des Quecksilbertropfens
4
und eine Verbindung der Kontakte 2, 3 durch den breitgedrückten Tropfen.
Als Rückstellkraft dient die Oberflächenspannung des Quecksilbers. Im Gegensatz
zu der in der F i g. 1 gezeigten Darstellung kann auch eine der beiden Elektroden
dauernd in das Quecksilber hineinragen.
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Aus der in der F i g. 1 gezeigten Anordnung läßt sich sehr einfach
ein Ruhekontakt herstellen, indem das Gewicht des Ankers so bemessen wird, daß der
Tropfen schon im unerregten Zustand des Kontaktes bis zur Kontaktüberbrückung verformt
ist. Wenn der Ringspalt nun so angeordnet ist, daß die magnetische Kraft nach oben
zieht, dann ist sein Ruhekontakt gegeben.
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Die Ruhekontaktkraft kann statt durch das Gewicht des Ankers auch
durch magnetische Kräfte aufgebracht werden. Wird der Anker als Permanentmagnet
9 (F i g. 2) ausgeführt, der in Längsrichtung magnetisiert ist, so hat dieser das
Bestreben, sich vom Ringspalt 8 zu entfernen, der für den Fluß des Permanentmagneten
einen großen Widerstand darstellt. Bei geeigneter Lage des Ringspaltes drückt aber
der Anker mit einer zusätzlichen magnetischen Kraft nach unten. Die Anordnung wird
zweckmäßigerweise so gewählt, daß der Anker noch mit einem Teil in den Ringspalt
hineinragt.Wenn nun ein dem Feld des Permanentmagneten gleichgerichtetes Feld überlagert
wird, dann wirkt auf den Anker eine Kraft, die ihn zum Ringspalt zieht, so daß wiederum
ein Ruhekontakt entsteht. Bei Anlegen eines Feldes in Gegenrichtung wird der Anker
zunächst nicht nach oben bewegt.
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Die Erzeugung der Ruhekontaktkraft auf magnetischem Weg ergibt wegen
der kleineren zu bewegenden Masse kürzere Schaltzeiten. Wenn die Ruhekontaktkraft
durch magnetische Kraft erzeugt wird, verwendet man zweckmäßigerweise als Anker
einen nichtmetallischen Permanentmagneten, z. B. einen Ferritmagneten, da hierbei
die notwendige Isolation zwischen Anker und Quecksilber sicher gewährleistet ist.
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Zur Aufbringung der Ruhekontaktkraft ist es aber auch möglich, am
unteren Teil des Gefäßes einen Dauermagneten anzuordnen. Der Anker, der für diesen
Fall aus magnetisch weichem Material besteht, wird dann durch den Fluß des Dauermagneten
vom Luftspalt weg nach unten gezogen. Unabhängig von der Stromrichtung bewegt sich
bei Erregung der Spule der Anker dann zum Luftspalt hin und öffnet den Kontakt.
Die Anwendung von magnetischen Kräften zur Vergrößerung der Rückstellkraft läßt
sich selbstverständlich auch bei nach dem Prinzip der Erfindung ausgeführten Arbeitskontakten
anwenden.
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Ein einfacher Umschaltekontakt nach der Erfindung ist in der F i g.
3 dargestellt. Durch den Anker 10 hindurch ragt eine dritte Elektrode 11
in das Quecksilber hinein. Ihre Eintauchtiefe ist so bemessen, daß bei Bewegung
des Ankers nach unten der Kontakt zwischen der Elektrode 11 und dem Quecksilber
geöffnet und der Kontakt zwischen Quecksilber und der Elektrode 2 geschlossen wird.
Die Elektrode 3 taucht dauernd in das Quecksilber ein. Der Anker muß entweder gegen
das Quecksilber oder gegenüber der Elektrode 11 isoliert sein. Dies läßt sich dadurch
erreichen, daß der Anker aus einem Ferrit mit hinreichend großem spezifischen Widerstand
-besteht. Die Schaltfolge läßt sich mittels der Höhe der Elektrode 2 einstellen.
Der übrige Magnetkreis kann beispielsweise der Anordnung der F i g. 1 entsprechen.
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Die Durchführung einer Elektrode durch den Anker läßt sich auch zur
Konstruktion von Arbeits-oder Ruhekontakten vorteilhaft anwenden. Die durch den
Anker hindurchgeführte Elektrode taucht dann dauernd in das- Quecksilber ein, während
die Gegenelektrode vorzugsweise als Ringelektrode ausgebildet ist, die einen geringeren
Kontaktwiderstand gewährleistet.
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In der F i g. 4 ist schematisch ein polarisiertes Relais dargestellt.
In einem Behälter 1 sind auf der den - Elektroden 2, 3 gegenüberliegenden Seite
zwei weitere Elektroden 12, 13 gasdicht eingeschmolzen. Zu beiden Seiten einer in
der Mitte des Behälters angeordneten Eisenkugel 14 ist je ein Quecksilbertropfen
4,15 eingebracht. Die Außenseiten des Behälters stecken je in einer Spulenhälfte
16,17. In der Mitte zwischen diesen Spulenhälften ist gegenüber der Eisenkugel ein
Permanentmagnet 18 vorgesehen. Außerdem ist in der F i g. 4 noch ein Flußführungsbüge119
dargestellt.
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Die Wirkungsweise dieses polarisierten Relais ist folgende: Der Fluß
des Dauermagneten 18 durchsetzt die beweglich angeordnete Eisenkugel 14 und schließt
sich über die äußeren Flußführungsbügel19. Bei fehlender Spulenerregung ist damit
ein symmetrischer Feldlinienverlauf gegeben, wenn die Kugel in der Mitte liegt.
Bei Erregung der Spule wird eine Unsymmetrie erzeugt, die den Anker je nach der
Stromrichtung nach der einen oder anderen Seite bewegt und jeweils einen der Kontakte
2, 3 bzw. 12, 13 betätigt. Als Rückstellkraft dient die Oberflächenspannung der
Quecksilbertropfen. Statt den Permanentmagneten außerhalb des Behälters vorzusehen,
ist es aber auch möglich, ihn als Anker zwischen den Quecksilbertropfen anzuordnen.
Die räumliche Orlentierung der Magnetisierungsrichtung im Anker muß bei dieser Anordnung
durch konstruktive Maßnahmen festgelegt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht
unter anderem darin, die beiden Hälften des Behälters mit je einem Permanentmagnetring
zu umgeben und diese Anordnung in eine Spule zu schieben. Diese beiden Ringe erzeugen
um den Anker eine symmetrische Feldlinienverteilung. Bei Erregung der Spule wird
die Symmetrie wieder gestört und je nach der Stromrichtung der Anker in die eine
oder andere Richtung bewegt.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt. Das Prinzip nach der Erfindung erlaubt es auch, den magnetischen Kreis
bei geeigneter Ausbildung für mehrere Einzelkontakte gleichzeitig zu verwenden.
Auch eine Konstruktion von zellenartig zusammengesetzten Glas- oder Keramikbehältern
als Baueinheiten, die mehrere Einzelkontakte enthalten und einen magnetischen Kreis
besitzen, erscheint möglich. Außerdem ist es auch möglich, das in Koppelfeldern
mit Schutzgaskontakten verwendete Kreuzspulenprinzip auf die Quecksilberkontakte
anzuwenden. In diesem Fall ist die Erregerspule in zwei etwas vom
Arbeitsluftspalt
entfernte Einzelspulen zu unterteilen, die nur bei gemeinsamer Erregung den Kontakt
betätigen, nicht aber einzeln.
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Die Erfindung ist auch nicht allein in Verbindung mit einem koaxial
angeordneten äußeren Magnetkreis mit Ringluftspalt denkbar. Derselbe Erfolg wird
nämlich auch mit einer Spule erzielt, die über einen Flußführungsbügel mit dem Behälter
zusammenhängt und die magnetische Steuerung vornimmt.
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Zur Vermeidung von magnetischen Spannungsverlusten an den Luftspalten
zwischen Anker und äußerer Flußführung kommt auch eine Einbeziehung der Flußführung
in die Gefäßwand in Betracht.