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Relaisschaltungsanordnung auf Transistorbasis
In der Steuerungstechnik wie auch im Netzschutz und in der Messtechnik ist es häufig erforderlich, ein definiertes Ausgangssignal (L-oder 0-Signal) zu erhalten, wenn die Eingangsgrösse einen bestimmten Wert über- oder unterschreitet. Man kann hiefür messende mechanische Relais verwenden, die durch vorgeschaltete Transistorverstärkerstufen empfindlicher gemacht werden. Dadurch wird aber auch die Schaltung gegenüber Temperatureinflüssen empfindlicher (Verschiebung des Arbeitspunktes). Dazu kommt, dass die Differenz zwischen Ansprech- und Abfallwert meist sehr gross ist. Es ist bereits eine Transistorrelaisschaltung bekannt, bei der letzterer Mangel beseitigt ist. Sie besteht aus der Kombination einer unsymmetrischen Kippschaltung mit einer Schaltstufe (Relais plus Transistor).
Dabei wird die Kippschaltung aus zwei Transistoren gebildet und gegebenenfalls durch eine nachgeschaltete Umkehrstufe ergänzt. Es ist weiterhin bereits bekannt, die Umkehrstufe zu vermeiden, indem die Basis des Schalttransistors über einen Widerstand mit dem Emitter des zweiten Transistors der Kippschaltung verbunden wurde. Aber auch bei dieser Schaltung ist ein Schalttransistor zur Relaisbetätigung erforderlich. Weiterhin tritt bei einer Eingangsspannung, die in der Grössenordnung der temperaturbedingten Änderung der Eingangsempfindlichkeit (annähernd 2mV/ C) der Kippschaltung liegt, eine starke Schwankung der Schwellwerte in Abhängigkeit von der Temperatur auf. Das Halteverhältnis ist nicht einstellbar.
Eine bekannte Variante (deutsche Patentanmeldung S43 648 VIIIa/ZIa, Gruppe 36) zur Erhöhung der Empfindlichkeit eines Relais beruht auf folgendem Vorschlag :
In den Kollektorkreis eines Transistors wird eine Relaisspule eingeschaltet und über eine zusätzliche Wicklung eine positive Rückkopplung auf den Eingang dieses Transistors erzielt. Bei dieser Schaltung erreicht man zwar eine Empfindlichkeitserhöhung. Da aber für die Aussteuerung des Relais meist leistungsstarke Transistoren erforderlich sind, die bekannterweise einen höheren Steuerstrom benötigen, ist diese Variante für hochempfindliche Schaltungen nicht zu verwenden. Weiterhin ist ein zusätzlicher Impulsgenerator erforderlich, wenn ein eindeutiges Sperren oder Durchsteuem des Transistors erfolgen soll.
Demnach wird schon eine Impulseingangsgrösse vorausgesetzt, so dass kein eigentlicher Schwellwertschalter vorliegt.
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ein einstellbares Halteverhältnis hat und relativ unempfindlich gegen Temperaturschwankungen ist.
Erfindungsgemäss wird das durch eine an sich bekannte galvanisch rückgekoppelte Kippschaltung erreicht, bei der im Kollektorkreis des zweiten Transistors eine Relaisspule mit Hilfswicklung liegt. Bei der Änderung der Ausgangsgrösse wird durch die Hilfswicklung der Relaisspule eine zusätzliche positive Rückkopplung in einer bevorzugten Richtung auf den Eingang des ersten Transistors wirksam. Die Rückkopplungswicklung liegt so im Basiskreis, dass sie während des Ruhezustandes durch einen Widerstand geshuntet ist. Der Widerstand hat die Aufgabe, die sperrende Wirkung der im Rückkopplungszweig eingeschalteten Diode zu diesem Zeitpunkt zu beseitigen und die Aussteuerung des ersten Transistors zu garantieren. Das Halteverhältnis wird durch Variieren des Abgriffes des gemeinsamen Emitterwiderstandes eingestellt.
Die Schaltung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt. Bei der Untersuchung wurde von der
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Erwägung ausgegangen, dass durch die Einführung des Relais direkt in eine nur galvanisch rückgekoppelte Kippschaltung die Eingangsempfindlichkeit stark zurückgeht. Um den Transistor T in diesem Falle auszusteuern, ist ein grösserer Basisstrom erforderlich, der wieder einen kleineren Kollektorwiderstand des ersten Transistors Tl bedingt. Der Rückkopplungsvorgang über die galvanische Rückkopplung wird also erst bei grösseren Basisströme des Transistors Tl ausgelöst.
Es musste also noch eine zusätzliche Rückkopplung geschaffen werden. Dazu wird auf die Relaisspule eine entsprechend gepolte Hilfswicklung aufgebracht, die im Basiskreis des ersten Transistors liegt. Um die durch den charakteristischen Stromverlauf bei Ankeranzug des Relais auftretende Richtungsumkehr des Rückkopplungsstromes zu vermeiden, wird ein richtungsabhängiger Widerstand D in den Kreis eingeschaltet. Beim Unterschreiten des Schwellwertes wirkt also nur die galvanische Rückkopplung über den Emitterwiderstand und die Kollektorwiderstände. Soll die Temperaturabhängigkeit der Schwellwerte gering sein, ist es zweckmässig, die Schaltung bekannterweise im"Niedertasten"zusteuern. Das bedeutet : Der Transistor ist im Ruhezustand leitend und wird durch eine positive Signalspannung und den einsetzenden Rückkopplungsvorgang gesperrt.
Soll T im Ruhezustand aber leitend sein, ist die Diode D durch einen Widerstand RB zu shunten (sonst könnte infolge der Polung der Diode D der erforderliche Basisstrom nicht fliessen). Bei der verwendeten Steuerungsart ist Tl gleichstromstabilisiert, also relativ temperaturunabhängig.
Der eigentliche Vorgang der Rückkopplung läuft wie folgt ab : Über den Übertrager Ü wird eine posi-
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die magnetische Rückkopplung, so dass auch bei der Verwendung leistungsstarker Transistoren noch eine genügende Empfindlichkeit der Schaltung erreicht wird.
Auf Grund der "doppelten" Rückkopplung (magnetisch und galvanisch) ist auch die Abweisung der Schwellwerte bei Temperaturschwankungen sehr gering. Durch den regelbaren Abgriff des gemeinsamen Emitterwiderstandes kann man Exemplarstreuungen der Kollektorwiderstände ausgleichen und das Halte- verhältnis gut variieren. Natürlich ist es auch möglich, die Schaltung im"Hochtasten" zu betreiben, d. h. das Relais ist im Ruhezustand angezogen. Um Schaltüberspannungen zu vermeiden, wird in an sich be-
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derstandes und kleinen Spannungswerten auftritt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Relaisschaltungsanordnung, bestehend aus einer galvanisch rückgekoppelten, unsymmetrischen Transistorkippschaltung mit zwei Transistoren und einem Relais mit Hilfswicklung, welche die Ausgangsgrösse auf den Eingang eines Transistors rückkoppelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfswicklung (H) der in dem Kollektorkreis des zweiten Transistors geschalteten Relaisspule (R) im Basiskreis des ersten Transistors (T) liegt und dass die Ausgangsgrösse des zweiten Transistors (T) auf den Eingang des ersten Transistors (T) positiv rückgekoppelt ist, wobei dem Rückkopplungskreis durch die Diode (dol) eine bevorzugte Stromrichtung aufgezwungen ist.