-
Verzögerungsanordnung in elektrischen Stromkreisen unter Verwendung
eines elektrischen Leiters mit bei zunehmender Erwärmung fallendem Widerstand Die
Erfindung bezieht sich auf die Ausbildung von elektrischen Verzögerungsschaltungen
unter Anwendung von Widerständen, deren Widerstandswert mit zunehinender
E rwärmung stark absinkt. Derartige Widerstände sollen im folgenden- als
Heißleiter bezeichnet sein und können eine steigende oder fallende Spannungsstromcliarakteristik
besitzen.
-
Es ist bekannt, Widerstände mit negativen Temperaturkoeffizienten
für Verzögerungszwecke, z. 9. als Einschaltschütze für Motoren, zu verwenden.
Zweck der Erfindung ist es, a) Verzögerungszeiten zu erzielen, die im Vergleich
mit der Abkühlzeit lang sind, oder j3) dem Spannungs- bzw. Stroniverlauf eine gewünschte
Form zu geben, oder c) beide Bedingungen gleichzeitig zu erfüll#en.
-
Die Abkühlzeit ist dabei insofern von Bedeutung, als erst nach ihrem
Verstreichen der Heißleiter für einen neuen, verzögerten Einschaltvorgang wiederi
bereit ist.
-
Nach der Erfindung wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß im Spannungsstrombild
des den Heißleiter enthaltenden Kreises die Charakteristik des Heißleiters und die
Charakteristik des restlichen äußeren Widerstandes derart gewählt werden,. daß beide
Charakterigtiken sich innerhalb eines be-
stimmten Gebietes mögl:chst eng
aneinander schmiegen oder in unmittelbarer Nähe verlaufen.
-
Nach der -weiteren Erfindung. -werden diese Charakteristiken so ausgebildet,
daß auf das eben genannte Gebiet ein solches folgt, in welchem beide Charal-,teristiken
möglichst ,großen Abstand"voneiiiander besitzen, worauf sie sich von neuem nähern
oder auch schneiden. Im letztgenannten Falle bedeutet der Schnittpunkt diejenigen
Werte, von welchen ab die Verhältnisse stabil bleiben. Die in dem zweitgenanntenGebiet
durchlaufendenStrom- bzw. Spanntingswerte werden vorzugsweise groß gewählt, so daß
dadurch erreicht wird, daß. nach einer gewissen Verzögerungszeit, in welcher Strom
oder Spannung sich nur wenig ändern, Strom oder Spannung sich verhältnismäßig schnell
und uni einen großen Betrag ändern, so daß stufenförmige Anlaufvorgänge entstehen.
Diese können für viele Zwecke erwünscht sein, z. B. für das stufenweise Ansprechen
von Relais, das E inschalten von Motoren usw.
-
Eine besonders einfache Ausführungsforrn eines Verzögerungswiderstandes
nach der Erfindung besteht darin, daß als Heißleiter
ein Widerstand
mit einer fallenden Spannungsstronicharakteristik benutzt und als äußerer Widerstand
ein normaler Ohmscher Widerstand gewählt wird, der eine geradlinige Widerstandscharakteristik
besitzt, die die Charakteristik des Heißleiters im fallenden Teil schneidet. Die
Neigung der Widerstandsgeraden und die Höhe der Gesamtspannung werden dabei so bemessen,
daß die Gerade möglichst nahe oberhalb des Spannungsmaximunis der Charakteristik
des Heißleiters verläuft. Der äußere Widerstand kann iedoch ebenfalls ganz oder
teilweise als Heißleiter, gegebenenfalls mit einer anderen Zeitkonstanten ausgebildet
sein.
-
Es ist bekannt, Widerstände mit fallender Spannungsstronicharakteristik
(Kennlinie i in Fig. i) mit Widerständen in Reihe zu schalten, die z. B. durch Fernsprechleitungen
geel bildet werden. Bei den bekannten Anordnun-(yen WUrde jedoch der fallende Teil
der Spaniinligsstromcharakterist;k zur Entdämpfung der Fernsprechleitungen für überlag"exte
Sprechströme, nicht jedoch, wie bei der vorliegenden Erfindung, zur Erzielung besonders
großer oder gestaffelter Verzögerungszeiten benutzt. Voraussetzung zur Erzielung
eines stabilen Arbeitspunktes im fallenden Teil der V#Tiderstandscharakteristik
ist, wie bekannt, die keihenschaltung eines Vorschaltwiderstandes, dessen absoluter
Betrag größer ist als der Betrag des differentiellen Widerstandes des Heißleiters
im Arbeitspunkt.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den nachfolgenden Ausführungen,
die an Hand von Zeichnungen erläutert sind, hervor.
-
Fig, i zeigt ein prinzipielles Diagramm mit einem Heißleiter, der
eine fallende Spannungsstronicharakteristik besitzt.
-
Fig. #q, -ibt den Stromzeitverlauf nach Fig. i bei Wahl bestimmter
Verhältnisse wieder.
-
Fig. 3 stellt einen einfachen Regelstromkreis * zur
Einstellung der Zeitkonstanten nach der Erfindung dar.
-
Fig.,4 zeigt ein ähnliches Diagramm wie Fig. i, wobei zu dem Heißleiter
ein Widerstand parallel gelegt ist.
-
Fig. 4a stellt einen weiteren Regelstrornkreis dar.
-
Fig. 5 zeigt ein ähnliches Diagrainm wie Fig. 4 für die verzögerte
Einschaltung von Spannungen bei konstantem Strom.
-
Fig. 6 zeigt eine weitere Möglichkeit der Annäherung der Generatorkennlinie
an die Heißleiterkennlinie.
-
In Fig. i ist im rechten oberen Quadranten die nichtlineare, teilweise
fallende Charakteristik i eines Heißleiters in einer Spannungsstroniebene dargestellt.
Dabei ist nach rechts der Strom, nach oben die Spannung aufgetragen. Die Charakteristik
i durchläuft der Heißleiter nur bei Stromänderunggen, die so langsam erfolgen, daß
die durch den elektrischen Strom in ihm in der Zeiteinheit entwickelte Wärme mit
der durch die Wärmeableitung zur Umgebung abgeführten Wärme im Gleichgewicht steht.
-
Wird aber der Strom auf irgendeine Weise so schnell geändert, daß
das erwähnteGleich-2clewicht sich nicht einstellen kann, so ist der D Heißleiter
wie ein reiner Ohmscher Widerstand aufzufassen, d. h. der Zusammenhang zwischen
Spannung V und Strom I läßt sich durch eine durch Null gehende Gerade darstellen,
wie sie z. B. durch :2 gekennzeichnet ist. Die Neigung dieser Geraden (z. B. 2,
2') hängt dabei ausschließlich von der jeweiligen Temperatur des Heißleiters ab,
Diese Geraden lassen sich also als Momentancharakterishiken des Heißleiters ansprechen,
während die Charakteristik i die stationäre Charakteristik des Heißleiters ist,
deren Punkte genau genommen erst nach unendlich langer Zeit erreicht werden.
-
Wird demH.eißleiter von einerStromquelle der SpannungE über einen
Vorschaltwiderstand, dessen Charakteristik im Spannungsstrombild durch dargestellt
ist, Strom zu-3 z, geführt, so ergibt sich als einstweiliger Arbeitspunkt im Spannungsstrombild
der Schnittpunkt der Geraden 3 mit der den Kaltwiderstand des Heißleiters
darstellenden Geraden2. Der Heißleiter wird dann mit der Leistung V, -
1, erwärmt, und es verringert sich mit ansteigenderTemperatur seinWiderstand,
was mit einem Neigen der Widerstandsger;#den. 2 (vgl. z. B. --') gleichbedeutend
ist. Bei diesem Vorgang kann sich der Arbeitspunkt nur auf der Generatorkennlinie3
abwärts bewegen bis schließlich der Schnittpunkt 7 mit der stationären Charakteristik
i erreicht ist.
-
Die Leistung, die zum Aufladen der Heißleiterwärmekapazität auf höhere
Temperaturen zur Verfügung steht, ändert sich nun während dieses Vorganges fortwährend.
War sie im Anfang VJ, so ist sie schon im nächsten Augenblick wesentlich kleiner,
weil eine gewisse Übertemperatur gegenüber der Umgebung zustande kommt, so daß ein
Wärmestrom zur kalten Umgebung einsetzt. Die Leistung V - I wird also
zum Teil, nämlich 11 Ö zum weiteren Aufla den der Wärmekapazität.W und zum Teil,
nämlich Ab, zum Aufrechterhalten der Übertemperatur b gegenüber der
kalten Umgebung verbraucht, wobei /11 die Wärmekapazität, ö die Übertemperatur,
di ein Zeitelement und A der Wärmeleitwert für die Wärmeabfuhr des Heißleiters
ist.
Der letztgenannte Teil muß gleich der Wärmeinenge sein, die auch im stationären
Zustand zum Aufrechterhalten der Temperatur erforderlich ist, die dem Schnittpunkt
der momentanen Widerstandsgeraden mit der stationären Charakteristik entspricht.
Der entsprechende Wärmestrom wird also durch das Rechteck Vstat *
istat dargestellt. Infolgedessen ist der erstgenannte, zur Aufladung auf höhere
Temperatur verbleibende Teil der entwickelten Joalschen Wärme durch die schraffierte
Fläche gegeben.
-
Nach Fig. i ist die Geschwindigkeit, mit der die relative Übertemperaturb
des Heißleiters aliste,"-t, jeweils durch das Verhältnis aus schraffierter Fläche
zu unschraffierter Fläche innerhalb des durch die Schnittpu;ikte 8' usw.
bestimmten Rechtecks gegeben. Daraus geht hervor, daß entsprechend einer Drehung
der Geraden 3 UM den Schnittpunkti, d.h. durch Veränderung des Vorschaltwiderstandes
und der Spannung E, der Einschaltvorgang weitgehend beeinflußt werz#
0
den kann. Insbesondere kann dem Einschaltvor-an- bzw. der Verzög ,' 11 gerung
eine verhält-. nismäßig lange Dauer gegeben werden, wenn zi die Gerade
3 so gelegt wird, daß sie sich dem Spannungsmaxiinum der Charakteristik i
stark annäliert. Die für den -,##"Lifheizvorgang maßgebende Fläche ist dann in der
Nähe des Maximums außerordentlich klein. Besonders . lank3 -sain wird der
Einschaltvorgang, wenn der Schnittpunkt 7 in die Niffie des Wendepunk-tes
der Charakteristik i zu liegen kommt. Strom und Spannung kriechen dann ihrem Eildwert
zu.
-
Ist der fallende Teil der Charakteristik i nach unten gekrümmt und
liegt der SchnittPunkt 7 vorn Wendepunkt weit entfernt im Gebiet hoher Ströme,
so tritt ein stufenförmiges Ansteigen des Stromes auf bei - eichzeitiger
Verzögerung zwischen den eingl e,
zelnen Stufen. Die Einstellung auf den Endwert
erfolgt dabei um so rascher, je gekrünimter der negativeAst derCharakteristik
ist und je weiter der Schnittpunkt vom Wendepunkt entfernt liegt. Von dieser
Erscheinung kann vorteilhaft fürdieHerstellung von Zeit- oder Verzögerungsrelais,
Stromstufenrelais usw. Gebrauch gemacht -werden, die für alle möglichen Zwecke,
z. B. für Fernsteuerung, geeignet sind. Der Verlauf einer entsprechenden Stromänderung
ist in Fig. 2 beispielsweise dargestellt. Nach oben ist der Strom, nach rechts die
Zeit aufgetragen. Bis zum Zeitpunkte io steigt der Strom auf den Wert II, den er
daun für einen längeren Zeitraum io-ii ungefähr beibehält, worauf er in der verhältnismäßig
kurzen Zeit 11-1:2 seinen Endwert I, erreicht. Die Zeit io-ii entspricht dein Kriechen
des Stromes in der Nähe des Spa-nnungsmaximums der Heißleitercharakteristik (i,
Fig. i), die Zeit 11-12 der Stromänderung über den konkaven Teil der Charakteristik
bis zum SchnittPunkt7 mit der Geraden 3.
-
Wie bereits angedeutet, kann die Verzögerungszeit einer Anordnung
gemäß der Erfindung in einfacher Weise durch entsprechende Änderung von Vorschaltwiderstand
oder Spannung oder auch beidenbeeinflußtwerden. Fig. 3 zeigt dafür eine einfache
Schaltung. An den Klemmen 13, 14 sei eine Gleichspannungsquelle angeschlossen, die
über den Spannungsteiler 15 Strom liefert. Mit diesem ist sekundär ein Stromkreis,
bestehend aus dem Vorschaltwiderstand 16 und dein Heißleiter i verbunden. Durch
Änderung des Spannungsabgriffes bei 15 kann die Stromanlaufszeit entsprechend einer
Änderung der im Heißleiterstromkreis wirkenden Spannun- -eändert werden. Die Änderun-
der Stromanlaufszeit kann ebenfalls durch Beeinflussung von 16 herbeigeführt bzw.
unterstützt werden. Selbstverständlich ist auch eine Änderung durch selbsttätige
Mittel, 7. B. durch Stromänderung in 15 in Abhängigkeit von irgendeiner Größe
möglich. Beliebige andere Schaltungen mit selbsttätiger Spannungs- oder auch Widerstandsänderung
(letztere im Kreise des Heißleiters) können für den vorliegenden Zweck gewählt werden,
worauf hier nicht näher eingegangen wer-den soll.
-
BestürlinteVerzögerungsverhältnissekönnen in einfacher Weise auch
dadurch erhalten werden, daß nach Fig. 4a ein gewöhnlicher Widerstand
9 parallel zum Heißleiter i gelegt wird. Falls dieser Widerstand regelbar
ist, ist auch die Verzügerungszeit e;nstellbar. Ein entsprechendes Diagramm ist
in Fig. 4 dargestellt. Die Parallelschaltung stellt sich in diesem Diagramin als
eine Scherung der Charakteristik des Heißleiters i mit der Geraden 9 dar,
die die Spannungsstrorncharakteri,stik des Widerstandes 9 bezeichnet. Auf
diese Weise wird die resultierende Charakteristik durch die Kurve i' dargestellt,
während 3 wiederum die Charakteristik für einen gemeinsamen Vorschaltwiderstand
bezeichnet. Es ist hierbei zu berücksichtigen, daß nicht das gesamte Rechteck V
- I (vgl. z. B. 8') für den Aufheizvorgang des Heißleiters
maßgebend ist, da das Rechteck V - I., das der im Widerstand
9 entwickelten Wärme entspricht, abzuziehen ist. Die für die weitere Aufheizung
zur Verfügung stehende Wärme ergibt sich also als Differenz der Rechtecke V-(I-I,')
undVt-(It-I,). Aus der Fig.4 ist zu ersehen, daß durch entsprechende Bemessung des
Widerstandesq die Charakteristik i' mehr oder weniger nach rechts verschoben
und
dadurch der Geraden 3 mehr oder weniger dem Spannungsmaximum von i' genähert
werden kann. Die im Beispiel der Fig- 3 dargestellte Regelungsschaltung kann
im eben erläuterten Sinne durch einen Parallelwiderstand züi i erweitert werden
bzw. können die Maßnahmen nach dem Beispiel nach Fig. 3 zur Unterstützung
der Regelung herangezogen werden.
-
Der Fall der Bemessung der Verzögerung durch einen Parallelwiderstand
gewinnt erhöhte Bedeutung für die verzögerte Schaltun- von Spannungen, insbesondere
um Spannull,gen stufenweise verzögert abzuschalten, wie es z. B. für die Einschaltung
von Motoren erwünscht ist, bei denen zur Erzielung eines konstanten Drehmomentes
auch schon im Moment des Einschaltens der volle Nennstrom vorhanden sein muß und
für die zunächst noch fehlende Gegen-EMK Ersatz geschaffen werden muß. Fig.
5 zeigt dafür ein Beispiel. In diesem Beispiel ist, wie nach Fig4a, dem Heißleiter
ein Widerstand parallel geschaltet, wobei die Kombination derart bemessen ist, daß
die resultierende Charakteristik in der Nähe des Spannungsmaximums ein Stück fast
vertikal verläuft oder in ihrem Verlauf so beeinflußt ist, daß die Spannung über
den Heißleiter nach einem gewünschten Zeitverlauf abfällt, z. B. in dem Maße, wie
die Gegenspannung des Motors aufkommt.
-
Es sei angenommen, daß der Strom durch irgendwelche Mittel, z.S.durchBeeinflussung
der Stromquelle (Motor mit aufkommender Gegen-EMK) oder Vorschaltung eines geeigneten
Widerstandes, konstant gehalten wird, so daß die Charakteristik 3 einen vertikalen
Verlauf nimmt. Es er-eben sich die gleichen Verhältnisse wie nach Fig.
3, nur mit dem Unterschied, daß sich die Spannung allein, t>
und zwar
verzögert ändert. je größer die Ausbuchtung der Charakteristikzwischendern Spannungsmaximum
und dem Schnittpunkt der Charakteristik 3 mit der Charakteristik i ist, desto
schneller strebt die Spannung nach einer gewissen Verzögerungszeit bei
8 ihrem Endwert V, im Punkt 7 zu, d. h. desto schneller ist
die Spannungsänderung und desto schärfer der Zeitpunkt, an welchem die Spannungsänderung
stattfindet, festgelegt. Derartige Anordnungen können auch für die Herstellung -von
Spannungsstufenrelais benutzt werden.
-
In Fiü. 6 ist endlich angedeutet, daß die Erfindung nicht auf
die gegebenen Beispiele beschränkt ist, bei denen der Vorschaltwiderstand eine lineare
Charakteristik besitzt, sondern daß es auchmöglicherscheint, Vorschaltwiderstände
mit Charakteristiken auf die Heißleiter derart abzustimmen, daß gewünschte Verhältnisse
im Sinne der vorliegenden Erfindung erzielt werden. i bezeichnet eine Heißleitercharakteristik
wie in den vorhergehenden Beispielen, 17 die Charakteristik eines Widerstandes,
der zwar auch einen negativen Temperaturkoeffizienten, aber keine fallende Stromspannungscharakteristik
besitzt, da andernfalls ein Schnittpunkt der Kennlinieri, d. h. ein stabiler
Arbeitspunkt im fallenden Bereich, nicht zustande kommen könnte. Bei geeigneter
Wahl der Verhältnisse kann, wie in Fig. 6 angedeutet, erreicht werden, daß
beide Charakteristiken sich innerhalb eines gewissen Abschnittes fast berühren,
worauf dann erst ein Schnitt (7)
erfolgt. Innerhalb des Zeitabschilittes 18,
lo kriecht der Strom dein E ii(lwerte zu, den er im Punkte 7 erreicht.
-
Die Charakteristiken des Heißleiters und der Parallel- bzw. Vorschaltwiderstände
können auch in der Weise ausgebildet werden, daß eine größere Anzahl von Verzögerungsschaltstufen,
als in den vorangehenden Beispielen angegeben, erzielt wird.
-
Der für die Wiederbereitschafts7eit maßgebende Abkühlvorgang ist selbstverständlich
von.der Lage und Form der Generatorkennlinie völlig unabhängig. Da andererseits,
wie nachgewiesen, die Einschaltzeit oder Verzögerungszeit in starkem Maße voll dieser
Lage und Form der Generatorkennlinie beeinflußt wird, so ist das für viele Anwendungszwecke
äußerst wichtige Verhältnis von Verzögerungszeit zur Wie#derbereit-?D schaftszeit
damit in weiten Grenzen beeinflußbar. Erwünscht ist ein großes Verhältnis von Verzögerungszeit
zür Wiederbere,tschaftszeit. Solange die Generatorkennlinie in üblicher Weise sich
nicht dem Maximum der Heißleiterkennlinie stark nähert, ist aber dieses Verhältnis
sogar wesentlich kleiner als i, also äußerst ungünstig. Der beträchtliche Fortschritt
der Erfindung besteht darin, daß dieses Verhältnis weit über i vergrößert werden
kann, daß also die Verzögerungszeiten weit größer als die Bereitschaftszeiten gemacht
werden können.