DE2155351C - Kontaktlose Schaltvorrichtung - Google Patents

Description

Eingangsimpedanz der Matrix soll erheblich kleiner als der Widerstand des Stromregelgliedes 2 sein. Die Halbleiterelemenle 311 (z. B. Feldplatten) zeigen starke Tempeiaturabhängigkeit des ohmschen Widerstandes, während die in Reihe mit ihnen geschalteten Festwiderstände 312 nahezu unabhängig von der Temperatur sind. An die Verbindungsstelle eines HaIK-iterelements 311 und eines Festwiderstandes 312 ist jeweils ein Schaltglied 4 angeschlossen. Als solches dient im vorliegenden Falle ein NPN-Transisior. dessen Basis mit der erwähnten Verbindungsstelle verbunden ist. Die an den Enden der Serienkombination abfallende Spannung wird nach Spannungsteilung mittels des Halbleiterelementes 311 und des Festwiderstandes 312 auf die Basis des Transistors 4 gegeben.

Im Ruhezustand befindet sich jede Feldplatte 311 in einem Magnetfeld, so daß der Widerstand der Feldplatte hoch ist und an der Basis des Transistors 4 nur eine kleine Spannung herrscht. Infolgedessen ist der Transistor gesperrt. Wenn nun das Magnetfeld abgeschaltet wird, steigt das Basispotential des Transistors 4. wodurch der Transistor geöffnet wird.

Zum Ein- und Ausschalten des magnetischen Feldes kann ein Steuerglied 5 gemäß F i g. 3 dienen. Es enthält einen Dauermagneten 51 mit zwei Polschuhen 52. Auf dem einen Polschuh befindet sich ein drehbar gelagertes Joch 53, dessen freies Ende 531 einer an dem anderen Polschuh befestigten Feldplatte 311 gegenübersteht. Eine als Taste ausgebi'dete Kappe 54 dreht beim Niederdrücken das Joch 53 gegen die Kraft einer nicht dargestellten Feder, wodurch das die Feldplatte 311 durchsetzende Magnetfeld geschwächt wird. Dadurch nimmt der ohmsche Widerstand der Feldplatte ab.

Wenn also das Magnetfeld abgeschaltet wird, fließt ein Strom zum Kollektor des Transistors 4 durch den Lastwiderstand 6 desselben, wie F i e. 1 zeigt. Die Beziehung zwischen Magnetfeldstärke und Stromfluß im Lastwiderstand kann auch umgekehrt gewählt weiden, z. B. durch Verwendung eines PNP-Transistors als Schaitglied oder durch Vertauschung der Bauelemente 311 mit den Festwiderständen 312.

Wie erwähnt, ist der Feldeffekt stark temperaturabhängig, d. h., das Verhältnis RBjRO des Innenwiderslandes RB der Anordnung mit Magnetfeld zum Innenwiderstand RO ohne Magnetfeld nimmt mit steigender Temperatur rasch ab. Das läßt sich in F i g. 4 ablesen; diese zeigt in Kurve α den Widerstand einer Feldplatte in Abhängigkeit von der Temperatur unter dem Einfluß eines Magnetfeldes von 4,5 kG; nach Abschaltung des Magnetfeldes ergibt sich dagegen ein Widerstandsverlauf gemäß Kurve /> in Fig. 4. Wie man sieht, tritt in letzterem Falle keine größere Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur auf. Wenn also eine solche Feldplatte allein als Vorwiderstand eines Transistors verwendet wird, steigt das Basispotential des Transistors infolge der Abnahme des inneren Widerstandes der Anordnung mit steigender Temperatur, an und der Tran* sistor ermöglicht unvermeidlich einen Stromfluß, obwohl das Magnetidd noch an der Feldplatte liegt.

Die dadurch zustande kommenden Falschbetätigungen des Schaltgüedes infolge von Widcrstandsschwankungen des Haibleiterclementes lassen sich in nachstehender Weise kompensieren.

Zur Vereinfachung der Beschreibung sei zunächst angenommen, daß der Strom für die Impedanzmatrix 3 durch den Stromregelwidcrstand 2 auf einem festen Pegel gehalten wird und daß das Magnetfeld ständig auf die Feldplatte 311 einwirkt. Unter diesen Umständen soll kein Strom in der Basis des Transistors 4 fließen. Die Eingangsspannung E₁ der Ma-

irix 3 bzw. der Serienkombination 31 befindet sich also auf einem konstanten Niveau, nimmt aber bei einem Temperaturanstieg ab, da das Halbleiterelement 311 die oben beschriebene Temperatiireigenschaft besitzt.

ίο Der Verlauf der Spannung £, hinsichtlich der Temperatur ist in Kurve c der F i g. 5 dargestellt. Hierbei ist angenommen, daß die Speisespannung 24 Volt beträgt, daß der Stromregelwiderstand 2 einen Wert von 750 Ohm, der Lastwiderstand 6 einen Wert von 5,6 kOhm, der Festwiderstand 312 einen Wert von 150 Ohm und die Feldplatte 311 einen Widerstand von 150 Ohm oder weniger olw:e Magnetfeld und einen Widerstand von 460 Ohm oder inehr im Magnetfeld besitzt.

Die temperaturbedingte Abnahme der Spannung E₁ hängt nun unter anderem von der Anzahl der parallelgeschalteten Serienkombinationen 31 ab. Je größer die Anzahl dieser Kombinationen ist, desto flacher verläuft die Spannungskurve. Bei einer größeren Anzahl

von etwa 4 bis 15 Serienkreisen geht schließlich die Kurve«- der F i g. 5 angenähert in Kurve c' über. In jedem Falle zeigt aber die Kennlinie den gleichen Verlauf wie die Widerstandsänderung eines Halbleiterelementes 311 hinsichtlich der Temperatur. Ferner wird das Temperaturverhalten der Spannung E₁ durch die Beziehung zwischen der Impedanz R_n des Festwiderstandes 312 und der Impedanz R_n, des Halbleiterelementes 311 bestimmt.

Wenn die Spannung E₁ an den Klemmen der Impedanzmatrix 3 abnimmt, nimmt die Spannung E₁ an den Klemmen des Festwiderstandes 312 zu und umgekehrt. Die Schwankungen der Spannung E₁ zeigen also entgegengesetztes Vorhalten wie die Schwankungen der Spannung E₁.

Der Verlauf der Spannung E., i^t in F i g. 5 ebenfalls dargestellt, und zwar gilt Kurve i/für die Spannung E₂ bei angelegtem Magnetfeld und Kurve e bei abgeschaltetem Magnetfeld.

Ohne Magnetfeld zeigt die Spannung E., eine schwache Abnahme bei zunehmender Temperatur. Andererseits nimmt auch die Schwellenspannung des Transistors 4 infolge des Temperaturverhaltens desselben mit steigender Temperatur ab. Die schwache Abnahme der Spannung Zf₂ ist also kein Problem.

Noch vorteilhafter ist es, daß bei angelegtem Magnetfeld die Spannung E., eine geringe Zunahme mit der Temperatur zeigt.

Die beschriebene Schaltungsanordnung hat folgende Vorteile:

Die Betätigung des Schaltgüedes 4 ist gewährleistet, weil die Impedanz der Matrix sich nicht wesentlich ändert, wenn eine der zahlreichen Serienkombinationen, aus denen die Matrix zusammengesetzt ist, gewählt und der Wiucrstand ihres Halbleiterelementes 311 geändert wird. Da der Strom in demjenigen Schalttransistor, dessen Serienkombination eine Widerstandsänderung erfährt, plötzlich kräftig zunimmt, nimmt die Stromstärke in den anderen Serienkombinationen zeitweilig ab, und das Basispotential der Transistoren in diesen Kombinationen wird deshalb weiter gesenkt. Demzufolge kann die unerwünschte geg<Miseit:3e Beeinflussung der steuerbaren Widerstände vollständig verhindert werden, und der gesperrte

Zustand der nicht betätigten SchalUranssistoren bleibt sicher erhalten.

Dieser Effekt tritt allerdings nur ein, wenn eine größere Anzahl von Serienkombinationen vorhanden ist und die steuerbaren Halblciterelemente abwechselnd betätigt werden; wenn z. B. die Impedanz der Matrix 3 sich stark ändert, weil nur wenige Scrienkombinationen vorhanden sind und mehr als zwei Halbleiterelementc zugleich umgeschaltet werden, nimmt die Spannung am Stromregelwiderstand 2 stark ab, und das Basispotential der Schalttransistoren 4 ist deshalb nicht mehr konstant. In diesem Falle ist es wünschenswert, zwischen der Spannungsquelle 1 und dem Stromregclglied 2 ein Netzgerät vorzusehen, das besser auf die Widerstandsschwankungen der Matrix 3 anspricht.

Eine solche Anordnung ist in F i g. 2 dargestellt. Sie zeigt ein Netzgerät 7, bestehend aus einem Transistor 71 zwischen dem einen Pol der Spannungsquelle 1 und dem Stromregelwiderstand 2. Der Emitter des Transistors ist mit dem Widerstand 2 und der Kollektor mit der Spannungsquelle 1 verbunden. Die Basis des Transistors ist über einen Vorwiderstand 72 zusammen mit der anderen Klemme der Matrix 3 an den anderen Pol der Spannungsquelle 1 angeschlossen.

Wenn in dieser Schaltungsanordnung die Impedanz der Matrix 3 abnimmt, steigt das Basispotcnlial des Transistors 71 relativ, und der im Transistor 71 fließende Strom wird stärker. Wenn dagegen die Impedanz der Matrix 3 zunimmt, sinkt das Basispotential des Transistors 71, und die Stromstärke im Transistor 71 wird klein. So ergibt sich eine Gegcnkopplungswirkiing. Demgemäß können die Änderungen des Basispotcntials der Schalttransistorcn4 durch Einstellung der Eingangsstromslärkc der Matrix auf einen Wert kompensiert werden, der in umgekehrtem Verhältnis zur Zunahme oder Abnahme der Impedanz der Matrix steht.

Wenn bei dieser Ausführungsform der Vorwiderstand 72 als Spannungsteiler aus den Widerständen 721 und 722 ausgebildet ist und der Wideistand 72 eine RegeldiuJ^ darstellt, wird die Temperaturkompensation verbessert. Wird ferner ein stabilisierter Widerstand 32 parallel zum Eingang der Matrix 3 geschaltet, so lassen sich die Spannungsscliwankungcn an den Enden der Matrix weiter verringern.

Bei dieser Ausführungsform können mehr als zwei steuerbare Halbleitcrclcmente 311 gleichzeitig betätigt werden, denn das Basispotential der Schalttransistoren läßt sich auch bei starken Impedanzänderungen der Matrix konstant halten.

Die Arbeitsbedingungen der beschriebenen Schaltvorrichtung können wie folgt festgelegt werden:

1. Es ist erwünscht, daß die Impedanz, des Stromrcgclgliedes 2 im zu kompensierenden Temperaturbereich gleich oder größer als. die Impedanz der Matrix 3 ist.

Wenn die Impedanz der Matrix wegen eines Temperaturanstieges abnimmt, soll die Impedanz des Stromregelgliedes 2 bezüglich des Pegels bei der Höchsttemperatur bestimmt werden, während in umgekehrtem Falle die Impedanz des Stromregelglicdes hinsichtlich des Pegels bei der niedrigsten Temperatur bestimmt werden soll.
2. Das steuerbare Halbleiterelement 311 kann entweder eine positive oder eine negative Temperaturcharakteristik aufweisen.

3. Die Serienkombinationen können entweder am Ende Igt steuerbaren Halblciterelemente 311 oder am Ende der Festwiderstände 312 mit dem Stromregelglied 2 verbunden werden. Die Verbindung muß aber bei allen Gliedern der Matrix in gleicher Weise geschehen.

4. Als Stromregelglied kann auch eine Halbleitervorrichtung, z. B. ein Transistor, dienen. Es empfiehlt sich, einen Halbleiter zu wählen, der das gleiche Tcmpcraturvcrhaltcn wie die steuerbaren Halbleiterclemente zeigt.
Wenn im Falle der Verwendung von Feldplatten als steuerbare Halblciterelemente 311 ein NPN-Transistor im Netzgerät 7 (Fig. 2) oder als Stromregelglied 21 (F i g. 6) verwendet wird, nimmt die Schwellcnspannung (Arbeitspunkt) dei betreffenden Vorrichtung mit zunehmender Temperatur ab. Infolgedessen kann die Vorspannung der Schaltgliedcr 4 durch den der Matrix zugeführten Strom kompensiert werden.

5. Die Tabelle zeigt die möglichen Beziehunger zwischen dem Temperaturverhalten der Steuerbaren Halbleiterelementc und dem Aufbau dei Schaltungsanordnung.

Tabelle

Typ	Temperaturfaktor des Halblcitcr- clemcntes	Stromregclglicd	Lage des Halblcitcr- clcmcntcs	Betätigung	Spannung
A	ί	Festwiderstand	unten	Ein Aus	groß klein
B	i	Transistor	oben	Ein Aus	klein groß
C		Fcstviderstand	oben	Ein Aus	klein groß
D	—	Transistor	unten	Ein Aus	groß kiein

Die »obere I.agc« ist die Lage zwischen dem Stromrecclglicd 2 und dem I cstwideistand 312. während die wintere Lage« bedeutet, daH Festwiderstand 312 und Halbleiterelement 311 in Fig. 1 vcrtausclii sind Der Ausdruck »Ein« bei der Betätigungsspalte bedeutet daß z. B. das Magnetfeld auf das Bauelement einwirkt

während bei »Ausi· da. Magnetfeld nicht einwirken soll. Mit der Spannung i>i die .in die Dasf*. des l'ransistors ."igelegle Spannung genieini.

Verschiedene AusfiilmmgslOrmcn der Schaltvorrichtung entsprechend der ir, dei labelle gegeher.cn t'bersichl sind in I ig n i-i-> 10 dargestellt.

Die SchaltungsaiHMilnuiig nach I'ig. 0 enispiich! dem l)p D in der I .ibelle. Wenn bei dieser Anordnung der Innenvsidcrsiand eines 1 lalhleiterelemenie-. M1 infolge einer ! emperatuisehwankimg abnimmt, wird der als Stroinregelglied 21 »crwcrdcte liansistor kralliger leitend, sn daß der in die Ma'rix lließende Strom stärker wird.

Die Anordnung nach I- i g. 7 entspridtl dem Typ A in der labelle. Wenn hier der Innenwiderstand eines I lalbleiterelemenles M 1 infolge einer Temperatur-Schwankung zunimmt, nimmt die Impedanz der Matrix ebenfalls /u, und das Basispol'.-ntial de.s Schaltgüedes 4 sucht zu steigen. Andererseits nimmt der in die Matrix fließende Strom ab und sucht das Basispolential zu erniedrigen, wodurch die gewünschte kompensationswirkung eintritt.

Die Schaltungsanordnung nach I-i g. S entspricht dem T\ ρ B in der lalielle. Wenn der Innenwiderstand des lialbleileii'lemenies Ml infolge einer Tempcratur-■.chwankung /uniniint. steigt auch die Impedanz der Mat'it, und das Hasispoiential des Sehaltgliedes 4 . nein 'ii steigen In diesem lall nimmt der in der Serienkombin.iiion M llieHende Strom ab, und das H.isispiHeniial des als Slminregelglied dienenden Transistors 21 \errinreii sich deshalb, wodurch der in die Matrix lliel.Vnde Strom \erringert wird. Dadurch wird die I rliohung des Hasispoieutials des Sehalt-"iiedes 4 kompensiert.

Hei der Sclialttingsanoidiuing nach Fig.') dient wieder ein Transistor als Stromregclglied 21; die Vorspannung dieses Transistors wird durch den stabilisierten Widerstand 32 der Matrix 3 gesteuert. In diesem ί alle kann das Basispotential des ! ransistors 21 unmittelbar durch die Impedan/seliwankungcn der Matrix geregelt werden.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. IO enthält zusätzlich /um Transistor 21 ein Net/gerät 7. Sie erlaubt |die Betätigung von mehr als zwei Schallgliedern zugleich. /.. 15. für einen Motor usw.

Hierzu 2 Blatt Zeiclmimuen

Claims (9)

1 2 matrix (3) parallelgeschaKeten stabilisierten Wider-Patentansprüche: stand (32).

1. Kontaktlose Schaltvorrichtung mit minde-

stens einem steuerbaren, im Stromkreis eines 5

Schaltgliedes liegenden ohrnschen Halbleiterelement, dadurch gekennzeichnet, daß Die Erfindung betrifft eine kontaktluse Schaltder Stromkreis ein Stromregelglied (2,21) und vorrichtung mit mindestens einem steuerbaren, im eine daran angeschlossene Impedanzmatrix (3), Stromkreis eines Schaltgliedes liegenden ohmschen bestehend aus mehreren parallelgeschalteten io Halbleiterelement. Als derartige steuerbare ohmsche Serienkombinationen (31) je eines steuerbaren Falbleiterelemente kommen beispielsweise eine auf dem ohmschen HalbleitL.-.omentes (311) und eines Halleffekt beruhende Feldplatte, eine druckempfind-Festwiderstandes (312) in jeweils gleicher Reihen- liehe Platte, deren ohmscher Widerstand vom äußeren folge enthält, daß die jeweils an dem Festwider- Druck abhängt, oder ein lichtempfindliches Halbleiterstand abfallende Spannung zur Betätigung eines 15 element in Frage. Diese steuerbaren Halbleiter-Schaltgliedes (Λ) dient und daß die Anordnung so elemente zeigen starke remperaturabhängigkeit in getroffen ist, daß bei abnehmender Eingangsimpe- ihren Eigenschaften und müssen deshalb im allgedanz der Matrix der vom Stromregelglied (2) meinen in einen Thermostaten eingebaut oder mit abgegebene Strom zunimmt und umgekehrt. einer aufwendigen Kompensationseinrichtung ver-

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, bei der 20 sehen werden.

sich in der Mairix Halbleitervorrichtungen mit Die Erfindung hat die Aufgabe, eine kontaktlose

negativem Terr.peraturkoeffizienten des Wider- Schaltvorrichtung der angegebenen Art zur Verfugung

Standes befinden, dadurch gekennzeichnet, daß zu stellen, die in einfacherer wirksamerer Weise als

als Stromregelglied ein Festwiderstand (2) dient bisher eine Temperaturkompensation ermöglicht,

und daß die Halbleitervorrichtungen (311) auf 25 Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß

derselben Seits der Spannungsquelle (1) ange- der Stromkreis ein Stromregelglied und eine daran

ordnet sind wie das Stromregelglied. angeschlossene Impedanzmatrix, bestehend aus mehre-

3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, bei der ren parallelgeschalteten Serien!:ombinationen eines die Matrix Halbleitervorrichtungen mit positivem ohmschen Halbleilerelementes und eines Festwider-Festtemperaturkoeffizienten des './idersiandes auf- 30 Standes in jeweils gleicher Reihenfolge, enthält, daß weist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fest- die an jedem Festwiderstand abfallende Spannung widerstand (2) als Stromregelglied dient und daß zur Betätigung eines Schaltgliedes dient und daß die innerhalb der Serienkombinationen (31) die Fest- Anordnung so getroffen ist, daß bei abnehmender widerstände auf der gleichen Seite der Spannungs- Eingangsimpedanz der Matrix der das Stromregelglied quelle wie das Stromregelglied angeordnet sind. 35 durchfließende Strom zunimmt und umgekehrt.

4. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch Als Stromregelglied kann z. B. ein Festwiderstand gekennzeichnet, daß als Stromregelglied ein Tran- oder ein Transistor, der an die Spannungsquelle sistor (21) dient, dessen Ausgangsklemme mit der angeschlossen ist, dienen. Die Schaltglieder können Impedanzmatrix (3) und dessen Basis derart mit ebenfalls als Transistoren ausgebildet sein.

einem Vorwiderstand verbunden ist, daß die 40 Wenn bei dieser Anordnung der Widerstand der

Impedanz der Matrix die Leitfähigkeit des Tran- Impedanzmatrix sich infolge von Temperaturschwan-

sistors stejert. kungen ändert, ändert sich der vom Stromregelglied

5. Schaltvorrichtung nach Anspruch 4, bei der abgegebene Strom in umgekehrter Richtung, so daß die Matrix Halbleitervorrichtungen mit positivem aufs Ganze gesehen eine Temperaturkompensation der Temperaturkoeffizienten des Widerstandes enthält, 45 Schaltvorrichtung eintritt.

dadurch gekennzeichnet, daß die HalbleitervorrLh- Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden

tungen mit dem Ausgang des Stromregeltransistors nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben.

(21) verbunden sind. Hienn sind

6. Schaltvorrichtung nach Anspruch 4, bei der in F i g. 1 und 2 Schaltbilder zweier Ausführungsder Matrix Halbleitervorrichtungen mit negativem 50 formen der Erfindung,

Temperaturkoeffizienten des Widerstandes ver- F i g. 3 die Schnittdarstellung eines Stcuergliedes

wendet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die für ein ohmsches Halbleiterelement,

Festwiderstände innerhalb der Serienkombina- F i g. 4 und 5 Diagramme des Widerstandsverlaufs

tionen (31) mit dem Ausgang des Stromregel- eines ohmschen Halbleiterelementes bzw. der dar-

transistors (21) verbunden sind. 55 gestellten Schaltung in Abhängigkeit von der Tempera-

7. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch tür und

gekennzeichnet, daß ein Netzgerät (7), das die F i g. 6 bis 10 Schaltbilder weiterer Ausführungs-

Regelwirkung des Stromregelgliedes (2, 21) unter- formen der Erfindung.

stützt, demselben vorgeschaltet ist und einen Wie F i g. 1 zeigt, besteht die Schaltvonichtung

Transistor (71) enthält, der entsprechend den 60 grundsätzlich aus einer festen Spannungsquelle 1,

Impedanzschwankungen der Matrix mit einer einem Festwiderstand 2 als Stromregelglied, der an

Vorspannung versorgt wird. den positiven Pol der Spannungsquelle angeschlossen

8. Schaltvorrichtung nach Anspruch 7, gekenn- ist, und einer mit dem Festwiderstand 2 verbundenen zeichnet durch eine geregelte Diode zur Vor- Impedanzmatrix 3.

spannungserzeugung des Transistors des Netz- 65 Die Impedanzmatrix 3 besteht aus der Parallelgerätes, schaltung mehrerer Serienkombinationen 31 je eines

9. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, gekenn- steuerbaren ohmschen Halbleiterelements 311 und zeichnet durch einen dem Eingang der Impedanz- eines ohmschen Festwiderstandes 312; die gesamte