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Brückenschaltung mit einem elektromagnetischen Relais zur Anzeige
des gestörten Brückengleichgewichtes
Die Erfindung betrifft eine Brückenschaltung
mit einem elektromagnetischen Relais zur Anzeige des gestörten Brückengleichgewichtes
mit zwei in die von einem Speisepunkt ausgehenden Längszweige der Brücke gesdhalteten
Relaiswicklungen, deren Durohflutungen bei B rückengleichgewicht einander kompensieren.
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Brückenanordnungen werden bekanntlich mit Vorteil zur Auswertung
von Widerstandsänderungen angewendet. Während nämlich eine Widerstandsänderung z.
B. im Verhältnis 2: 1 in einer gewöhnlicken Masche höchstens eine Stromänderung
im Verhältnis 1 : 2 hervorrufen kann (wenn die Masche keinen konstanten Serienwiderstand
enthält), kann die gleiche Widerstandsänderung in einem Längsiweig einer Brücke
eine mehrfache Stromänderung in deren Nullzweig verursachen.
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Nachteilig ist jedoch in vielen Fällen der Umstand, daß die im Nullzweig
umgesetzte Leistung, verglichen mit der gesamten lirückenleistung, gering ist. Sie
reicht unter Umständen nicht mehr aus, um bei gegebener Speisespannung ein Relais
mit einer bestimmten Kontaktkomhination zu betätigen. Ferner bereitet die oben als
Vorteil genannte Eigenschaft der Brücke in dem Sinne oft Schwierigkeiten, daß auch
Abweichungen der Längswiderstände vom Sollwert innerhalb der Fertigungstoleranzen
Querströme hervorrufen, die
in ungünstigen Fällen bereits den Wert
des Anzugsstromes für das Relais überschreiten.
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Außer der Anordnung einer Relaiswicklung im Nullzweig ist auch eine
Ausführung bekannt, bei der zwei auf demselben Kern befindliche Relaiswicklungen
derart in zwei von einem Speisiepunkt ausgehende Längszweige geschaltet sind, daß
sich im abgeglichenen Zustand ihre Durchfiutungen aufheben. Im einen wie im anderen
Fall müssen sehr enge Widerstandstoleranzen der Schaltungselemente, was den Ausschuß
sehr erhöht, oder zusätzliche regelbare Organe zur Nachregulierung, was die Ausführung
sehr verteuert, vorgeschrieben werden, um den Einfluß von Fehlströmen auszuschalten.
Zu beachten ist auch, daß die Schaltung, wenn Widerstandstoleranzen vorgesehen werden,
auch gegen.
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Toleranzen der Speisespannung, wie sie beispielsweise in Telephonnetzen
auftreten, unempfindlich sein soll.
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Die Erfindung vermeidet vorgenannte Nachteile bei Verwendung von
zwei auf deniselben Relaiskern befindlichen Relaiswicklungen, die in zwei von einem
Speisepunkt ausgehende Längszweige der Brücke geschaltet sind und deren Durchflutungen
sich bei Brückengleichgewicht kompensieren, indem erfindungsgemäß eine dritte Relaiswicklung
im Nullzweig der Brücke liegt, deren Durchflutung bei gestörtem Gleichgewicht durch
die resultierende Durchflutung aus den beiden Relaisuvicklungen an den Bängszweigen
verstärkt wird.
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Da also die Widerstände der Elemente, aus denen sich die Brüclienscihaltung
zusammensetzt, fabrik tionsgemäße Toleranzen aufweisen, wird die Brücke selten ganz
abgeglichen sein; es können somit Fehlströme innerhalb der Brückenschaltung auftreten,
die keine Erregung des Relais bewirken sollen.
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Durch geeignete Dimensionierung der dritten, slith im Nullzweig der
Brücke befindlichen Relaiswicklung in bezug auf die Längswicklungen ist es im Gegensatz
zu den bekannten Anordnungen möglich, die sich aus den Fehlströmen ergebende resultierende
Durchflutung, im folgenden kurz als Fehldurohflutung bezeichnet, für alle Situationen,
die sich ddurch ergeben, daß Fertigungstoleranzen für alle Schaltungselemente zugestanden
werden, auf Werten. zu halten, die wesentlich unterhalb derjenigen Durchflutung
liegen, bei weicher der Relaisanker angezogen würde. Zum Gegensatz zur Fehldurchflutung
wird letztere Durchflutung im folgenden sinngemäß als Wirkdurchflutung bezeichnet.
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Die Zeichnung dient zur näheren Erläuterung der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt das Schaltschema eines Ausfüihrungsbeispiels, die Fig.
2 bis 7 dienen zur Erklärung des,Rechnungsganges zur Bestimmung des Verhältnisses
der WiSkzur Fehldurchflutung, weiches Verhältnis zum sicheren Arbeiten des Relais
möglichst groß sein soll.
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Die beiden gleich großen Widerstände R 1 und R 2 in Fig. 1 und die
beiden Wicklungen ii und III des Reladls D mit unter sich gleichen Wicklungs widerständen
bilden die vier Längszweige einer Brücke. Die Wicklung D 1 ist im Nullzweig der
Brücke angeordnet. Bei diesen WiderstandXsveiältnissen ist die Brücke abgeglinben,
und das Relais D soll nicht ansprechen. Da der Nullzweig stromlos ist, wird die
Wicklung D 1 nicht erregt. Durch die Wicklungen D II und D III fließen gleich große
Ströme nach dem unteren Speisepunkt (-). Gleiche Windungs-zahlen und gegensinniger
Anschluß gemäßden Bezeichnungen 1 bis 4 der Wicklungsenden sorgen dafür, daß die
von diesen beiden Wicklungen erzeugten Durchfiutungen einander aufheben. Das Relais
D kann also nicht erregt werden.
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Wird der Kontakt k geschlossen und damit der Widerstand R3 dem Widerstand
R2 parallel geschaltet, so ist damit das Brückengleichgewicht gestört. Der Strom
in den Wicklungen DII und DIll steigt an, in der ersteren jedoch stärker. Außerdem
wird das Potential am Ende links des Nullzweiges gegenüber dem Ende rechts erhöht.
Es fließt also ein Querstrom durch die Wicklung D 1 in Richtung 3-5. Wie aus den
Bezeichnungen 1 bis 5 der Wicklungsenden hervorgeht, sind die drei Reiaiswicklungen
derart geschattet daß die aus der Verschiedenheit der Ströme in den Längswicklungen
D II und D III resultierende Durchflutung diejenige -der Wicklung D 1 im Nullzweig
unterstützt. Somit kann das Relais seinen Anker anziehen. Jedenfalls bringen die
beiden Längs wicklungen einen Gewinn gegenüber der Durchflutung der Wicklung D 1
allein, da die Änderung der Brückenströme gewisslermaßen an drei Orten erfaßt wird
Diese Erhöhung der wirksamen Anzugsdufchflutung durch die Maßnahme gemäß der Erfindung
würde aber die Brauchbarkeit der Blrücikensthaltung mit einem elcktromagnetischen
Relais nicht verbessern, wenn in gleichem Maße auch die eingangs erwähnte Empfindlichkeit
auf Querströme infolge Widerstands abweichungen ansteigen würde.
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Daß aber die Erfindung gleichzeitig eine Erhöhung des Verhältnisses
dlef Wirkdurchfiutung zur Felhldurchflutung mit sich bringen kann, soll die folgenden
Überlegungen zeigen: Es hat sich herausgestellt, daß dieser Effekt abhängig ist
von der Anzahl Windungen der Wicklungen D II und D III, verglichen mit der Windungszahl
von Dl. Dies wird bei der nachstehenden Betrachtung verständlich: Liegen die Widterstandswerte
für R2, D 1 und D III an der unteren Toleranzgrenze, so fließt durch diese Glieder
ein Fehlstrom. Dieser wird im Relais D gerade kompensiert, - wenn die Wicklung D
III gleich viele Windungen hat wie die Wicklung DI. In einer anderen Situation jedoch,
bei der R I und D III den minimalen Widerstandswert aufweisen, fließt durch diese
Längszweige ein Fehlstrom, ohne daß ein Querstrom zu fließen braneht. Auf diese
Art FeS-strom würde das Relais D am wenigsten reagieren, wenn die Wicklung D III
keine Windungen. hätte.
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Eine Fehldnrchfiutung im Relais D setzt sich zusammeln aus einem
Anteil der Wicklung 1 und aus einer aus den Wicklungen II und III resultierenden
Komponente. Diese ist der Windungszahl der Wicklungen II und III proportional. Stellt
man die Fehldurchflutung in - Funktion der Windiingszahl. der
Wicklungen
D II und DIII graphisch dar, ergibt sich also eine Gerade. Um die im Relais D möglicherweise
fließenden Fehlströme zu ermitteln, müssen alle denkbaren Widerstandsabweichungen
innerhalb der Toleranz untersucht werden. Der Widerstand eines jeden der fünf Brückenteile
kann einmal am oberen Ende und einmal am unteren Ende der erlaubten Toleranz liegen.
Es ergeben sic!h hieraus 25 = 32 verschiedene Situationen. Diejenigen von ihnen,
welche die größten Fehldufohflutungen ergeben, sind in den Fig. 2 und 3 schematisch
dargestellt. Ausgezogene Linien bedeuten - dabei die minimalen, punktierte Linien
die maximal zulässigen Widerstände der Brücloenzweige. Die-zugehörigen Geraden (Fehldurchflutung
als Funktion der Windungszahlen der Wicklungen D II und D III in Prozenten der Wicklung
DI) sind in Fig. 5 aufgetragen. Der Berechnung liegen die folgenden, als Beispiel
aufzufassenden Daten zugrunde: R I = 490 Q, R2=500Q, DII, D III = 250 Q, DI = 230
Q, 5400 Windungen, Toleranzen für R I und R2 + 59/o, für DI, DII und DIII 1 I0°/o,
Speisespannung = 56 V (obere Toleranzgrenze zum Nennwert 48 V). Die mit zweistelligen
Ziffern bezeichneten Geraden in den Fig. 5 und 6 sind nach folgendem Schema bezeichnet:
Die erste Ziffer gibt die Ordnungsnummer derjenigen Figur innerhalb der Fig. 2 bis
7 an, in der die zugehörige Situation der Toleranzen der Schaltelemente dargestellt
ist, die zweite Ziffer gibt die Ordnungsnummer dieser Situation innerhalb der betreffenden
Figur an. So gehört die Gerade 21 zur Situation I in Fig. 2, die Gerade 32 zur Situation
2 in Fig. 3 usw. Die stark ausgezogenen Abschnitte der sich schneidenden Geraden
in Fig. 5 begrenzen ein Feld, innerhalb dessen alle weiteren, zu den übrigen Widerstandssituationen
gehörenden Geraden verlaufen. Als positiv ist diejenige Durchflutungsrichtung angenommen,
die sich im Falle der Parallelschaltung der Widerstände R 2 und R 3 in der Sohaltungsanordnung
gemäß Fig. I ergibt.
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Auf ähnliche Weise lassen sich auch die Widerstandsanordnungen für
minimale Wirkdurchflutung bestimmen. Sie sind in Fig. 4 dargestellt, die dazugehörigen
Geraden in Fig. 6, wobei für R3 = 525 Q .(oberer Toleranzwert zum Nennwert 500 Q)
und für die Speisespannung 44 V (unterer Toleranzwert zum Nennwert 48 V) eingesetzt
wurden. Die Bezeichnung ist analog derjenigen bei den Fehldurchflutungen.
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Dividiert man die Werte für minimale Wirkdurchflutung das eine Mal
durch die Werte für den maximalen positiven Fehllstrom, das andere Mal durch die
Werte für den maximalen negativen Feblstrom, so erhält man die Kurve I bzw. 2 in
Fig. 7. Aus diesen Kurven ist die wesentliche Verbesserung des Verhältnisses der
Wirk- zur Fehldurchflutung durch die Erfindung ersichtlich. Währenddem das Verhältnis
bei Windungszahl o (keine Längswicklungen) kaum von I verschieden ist, wird es durch
die Längswicklungen beträchtlich verbessert und erreicht bei einem Windungszahlverhältnis.
von 0,53 das Maximum von 4,2 (positiver Fehlstrom) bzw. 2,8 (negativer Fehlstrom).
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Die zahlenmäßigen Ergebnisse werden natürlich bei der Wahl von anderen
Ausgangswerten anders ausfallen, der Gang der Berechnung wird jedoch derselbe sein.
Ferner kann die W;iderstandsänderung im Längszweig auch in einer Erhöhung statt
in einer Verminderung bestehen.