DE1233911B - Schaltanordnung mit magnetisch steuerbarem Halbleiter - 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, wobei die Figur in vereinfachter Darstellung ein gepoltes Relais nach der Erfindung zeigt.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.

Claims (2)

1. 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.
2. 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.