Stufenschalter

Ein Stufenschalter ist ein elektrischer Schalter mit mehreren Schaltstellungen, der zum Beispiel die stufenweise Erhöhung einer Spannung ermöglicht.

Mit Stufenschalter zuschaltbare Widerstände

Widerstandsdekade (10 x 1 Ohm) mit zugehörigem Stufenschalter

Dies ist zum Beispiel notwendig, um bei einer Elektrolokomotive die Spannung und damit die Drehzahl und das Drehmoment der Motoren einzustellen oder mehrere Signalquellen umzuschalten.

Bauformen und Aufbau

Stufenschalter sind meistens als Drehschalter aufgebaut und werden von Hand oder teilweise auch elektrisch angetrieben (vgl. auch Drehwähler). Sie besitzen eine oder mehrere Schaltebenen und eine oft auch bei der Montage konfigurierbare Anzahl von Schaltstellungen.

Die Schaltkontakte werden beim Schalten durch Nocken auf einer Schaltwalze bedient oder sie gleiten aufeinander.

Man unterscheidet Stufenschalter, welche die vorige Verbindung zunächst unterbrechen, bevor die nächste erfolgt (break before make) oder bei denen kurzzeitig beide benachbarte Verbindungen bestehen (make before break) oder Mischformen, bei denen zwischen zwei Stufen eine Trennstufe kurzzeitig geschaltet wird.

Anwendung

Signalweg-Umschaltung

Stufenschalter für Kleinsignalanwendungen benötigen besonders korrosionsfeste Kontaktwerkstoffe, oft auch mit geringem Übergangswiderstand. In Frage kommen Gold oder Palladium, weniger die korrosions- und Oxidschicht-gefährdeten Werkstoffe Silber, Kupfer oder Messing - es sei denn, die Kontakte sind vor Umwelteinflüssen geschützt. Aufeinander schleifende Kontakte sind jedoch in gewissem Maße selbstreinigend.

Spannungs- und Leistungssteuerung

Stufenschalter für hohe Ströme und Leistungen besitzen neben einem geringen Übergangswiderstand besonders massive Kontakte aus abbrandfesten Kontaktwerkstoffen, die bei auftretenden Schaltlichtbögen, verursacht von induktiven Verbrauchern, robust sind und nicht verschweißen. Das Schalten von höheren Spannungen und Strömen erfordert keine besonderen Anforderungen hinsichtlich Oxidschichten, da diese beim Schalten mechanisch wieder zerrieben werden.

Beispiele sind neben den unten angeführten auch mehrphasige Stufenschalter an elektrischen Kochplatten mit einer Stern-Dreieck-Umschaltung oder einphasige Schalter an Stelltransformatoren. Letztere kontaktieren bei kleineren Leistungen (einige Kilowatt) auch direkt die blanken Wicklungsdrähte.

Stromnetz

→ Hauptartikel: Stufenschalter für Leistungstransformatoren

Im Stromnetz werden Leistungstransformatoren mit Stufenschalter ausgestattet, um die Netzspannung und die Leistungen in einem bestimmten Intervall bei Laständerungen steuern zu können. Dazu werden in die Gehäuse von Leistungstransformatoren Stufenschalter eingebaut

Elektrofahrzeuge

Vor dem breiten Einsatz von Leistungselektronik waren Stufenschalter die einzige Möglichkeit, die Spannung (Transformator-Anzapfungen) oder Vorwiderstand|Vorwiderstände bei Gleichstrombetrieb umzuschalten, um die Motoren anzufahren und zu bremsen.

Während Fahrschalter der allgemeine Begriff für den Spannungsregler bei Lokomotiven ist, wird bei Wechselstromfahrzeugen mit Transformator der Begriff Stufenschalter verwendet.

Meist wird dafür ein Transformator mit mehreren sekundären Anzapfungen verwendet. Das genaue Funktionsprinzip ist im Artikel Stufenschalter für Leistungstransformatoren beschrieben. Anstelle eines Stufenschalters kann auch ein Gleittransformator verwendet werden, um die erwünschte Spannungsänderung zu erreichen. Dieser ist allerdings störungsanfälliger und auch konstruktionsbedingt nicht für sehr hohe Leistungen einsetzbar.

Je nach Bauform erhalten die Stufenschalter spezielle Namen:

• Flachbahnstufenschalter, auch Schlittenstufenschalter
• Nockenwalzenstufenschalter
• Hüpfersteuerung, mit mehreren Schützen (auch "Hüpfer" genannt)
• Hochspannungsstufenschalter, auf der Primärseite des Transformators statt auf der Sekundärseite.

Je nach Bedienungsart wird auch zwischen direkten und indirekten Stufenschaltern unterschieden. Beim direkten Stufenschalter wird die Stufe sofort eingestellt. Beim indirekten übernimmt eine elektrische Steuerung das Aufschalten. Man gibt die gewünschte Stufe nur vor, der Stufenschalter wird von der Steuerung optimiert hochgeschaltet (z.B stromabhängig). Heute werden bei Neukonstruktionen fast nur noch indirekte Stufenschalter verbaut.

Bei elektrischen Antrieben wird heute in der Regel ganz auf Stufenschalter verzichtet und stattdessen mit Leistungselektronik gearbeitet:

• mit variabler Frequenz bei Asynchron-Drehstrommotoren und Synchronmotoren. Die Drehzahl wird hier über die Frequenz geregelt
• zusätzlich mit einer Chopper-Steuerung (bei Gleichstromantrieben ausschließlich), bei der die Induktivität der Motoren zur Glättung des Stromes beiträgt. Der Strom bestimmt das Drehmoment.