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Schaltungsanordnung zur überwachung von Maximal- bzw. Minimalwerten einer Wechselstromgrösse, vorzugsweise für eigensichere Anlagen
Nicht nur in Energieversorgungsnetzen, sondern auch in Anlagen mit niedriger Spannung ist es oft notwendig, das Über- bzw. Unterschreiten eines bestimmten Spannungswertes zu überwachen. In zunehmendem Masse finden elektronische Schwellwertschalter an Stelle elektromechanischer Relais Verwendung.
Wegen der geringen Leistungsaufnahme und der niedrigen Betriebsspannung bieten diese Schaltungen besonders in sogenannten eigensicheren Anlagen grosse Vorteile.
Ein typischer Vertreter eines Schwellwertschalters ist der transistorisierte Schmitt-Trigger. Er besteht im wesentlichen aus zwei emittergekoppelten Transistoren und hat zwei stabile Lagen. Im Ruhezustandder einen stabilen Lage-ist z. B. der erste Transistor durchgesteuert, der zweite sperrt. Legt man eine Eingangswechselgrösse oder eine gleichgerichtete Grösse an, wird nach Überschreiten des eingestellten Schwellwertes der erste Transistor gesperrt und der zweite durchgesteuert. Dies entspricht dem andern stabilen Zustand. Erst wenn die Eingangsgrösse unter den Schwellwert absinkt, stellt sich der Ausgangszustand wieder ein. Am Ausgang entsteht also eine Rechteckimpulsfolge. In Abhängigkeit von der Amplitude und dem eingestellten Ansprechwert - dem Schwellwert - werden die Lücken dieser Folge verschieden gross sein.
Im ungünstigsten Falle können sie sich bis zur Dauer einer Halbwelle der Eingangsgrösse erstrecken. Ein
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B.rungsschaltungen vorteilhaft sein.
Aus diesem Grunde versucht man in der Regel die am Ausgang der Kippschaltung entstehende Rechteckimpulsfolge künstlich zu verlängern. Hiezu dient eine Impulsverlängerungsstufe. Diese ist meist eine sogenannte monostabile Kippschaltung mitRC-KoppIung. Sie hat die Eigenschaft, einmal ausgelöst, nach Ablauf einer definierten Zeit unabhängig vom Eingangssignal wieder in die Ausgangslage zurückzukehren.
Infolge ihrer endlichen Wiederbereitmachungszeit können die Lücken nicht vollkommen beseitigt werden. (Die Schaltung kann erst wieder ausgelöst werden, wenn der Kondensator der RC-Kombination sicherneut aufgeladen hat).
Ein weiterer Nachteil einer solchen Impulsverlängerung ist folgender : Durch die RC-Kopplung ist die Dauer des Zeitablaufes der monostabilen Kippschaltung und damit die Impulslänge festgelegt. Wenn also die Lücken auf kleinste Werte beschränkt bleiben sollen, kann die Gesamtschalung nur für eine bestimmte Frequenz verwendet werden.
In der Fernmeldetechnik z. B. ist es aber oft erforderlich, unabhängig von der in weiten Grenzen sich ändernden Frequenz das Über- oder Unterschreiten eines eingestellten Ansprechwertes zu kontrollieren. Eine Lösung, die dieser Forderung teilweise gerecht wird, ist folgende : Eine Kippschaltung erzeugt aus einer Wechselstromgrösse eine Gleichstromimpulsfolge. Diese wird zur Steuerung einer Brückenschaltung verwendet, in deren Diagonalzweig ein Übertrager liegt. Am Ausgang des Übertragers entsteht so im Takt der Gleichstromimpulsfolge eine Wechselstromimpulsfolge. Diese wird gleichgerichtet und stellt das eigentliche Ausgangssignal dar. Bei niedrigen unteren Grenzfrequenzen wird einmal der Eisenquerschnitt des Übertragers sehr gross, zum andern ist das Ausgangssignal auch hier nicht genau konstant.
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der Berührungsstellen der gleichgerichteten Wechselstromimpulse treten infolge der endlichen Flankensteilheit Signaleinbrüche auf. Diese können leicht zu Fehlentscheidungen führen.
Es war also die Aufgabe zu lösen, eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, die folgende Forderungen erfüllt : 1. Frequenzunabhängigkeit, 2. Bei Überschreiten des eingestellten Ansprechwertes konstantes Ausgangssignal, 3. einstellbares Halteverhältnis und einstellbarer Ansprechwert.
Hat die zu überwachende Spannung nur eine geringe Grösse (z. B. in sogenannten eigensicheren Anlagen), wird die Aufgabe erfindungsgemäss wie folgt gelöst :
Die zweiweggleichgerichtete Wechselstromgrösse gelangt an zwei an sich bekannte Impulsformerstufen mit verschiedendem Ansprechwert.. Die Impulsfolge aus der Stufe mit einem eingestellten höheren Ansprechwert führt man direkt dem Eingang eines dominierend löschenden Speichers zu ; die Folge aus der Stufe mit einem fest in der Nähe des Spannungsnulldurchganges eingestellten Ansprechwert wird über ein richtungsabhängiges Differenzierglied an den Löscheingang dieses Speichers gelegt. Das Ausgangssignal des Speichers gelangt einmal direkt an den Eingang eines weiteren dominierend löschenden Speichers und zum andern über ein Verzögerungsglied an den Eingang eines negierenden Oder-Gatters.
Dessen Eingang wird weiter noch durch das Ausgangssignal derlmpulsformerstufe mit dem niedrigeren Ansprechwert beaufschlagt. Der Ausgang dieses negierenden Oder-Gatters liegt am Löscheingang des zweiten Speichers. Das Halteverhältnis der Anordnung kann durch eine geeignete Rückführung beeinflusst werden.
Der Erfindungsgedanke soll an Hand der Fig. l bzw. 2 beispielsweise näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Anordnung ; darin bezeichnet 1 einen Gleichrichter, 2 eine Impulsformerstufe (einstellbarer Ansprechwert), 2'eine Impulsformerstufe (Ansprechwert in der Nähe des
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gerungsglied und 8 ein negierendes Oder-Gatter.
Fig. 2 zeigt den Kurvenverlauf an den charakteristischen Schaltungspunkten, u. zw. die Kurve a) an der Impulsformerstufe 2, die Kurve b) an der Impulsformerstufe 2', die Kurve c) am Speicher 3, die Kurve d) am negierenden Oder-Gatter und die Kurve e) am Speicher 4.
(Die Indizes entsprechen der jeweiligen Bausteinnummer z. B. E Eingang von 8).
Im Ruhezustand, der Ansprechwert der Impulsformerstufe 2 ist nicht erreicht, erzeugt lediglich die
Stufe 2'eine Rechteckimpulsfolge. Diese Impulsfolge wird über das richtungsabhängige Differenzierglied 6 differenziert. Die der Vorderflanke der Rechteckimpulsfolge entsprechenden Nadelimpulse gelangen an den Löscheingang L des Speichers 3. Die am Ausgang der Stufe 2'entstehende Rechteckimpulsfolge wird aber ausserdem noch dem Eingang E des negierenden Oder-Gatters 8 zugeführt. Die Negation der erfüllten Oder-Bedingung ergibt Nullsignal am Ausgang A, wenn ein Impuls an E anliegt. In den Impulslücken ist aber die Oder-Bedingung nicht erfüllt - am Ausgang A liegt L-Signal-. Damit wird der nachgeschaltete Speicher 4 gelöscht.
Überschreitet die Eingangsgrösse U den Ansprechwert Uan2 der Stufe 2, so entsteht die Rechteckimpulsfolge A2. Der Eingang des Speichers 3 erhält L-Signal. Das Ausgangssignal As des mit dem Spei- cherwert beaufschlagten Speichers 3 wird dem Eingang E des Speichers 4 zugeführt. Dessen Löscheingang L hat Nullsignal (Die Oder-Bedingung an 8 ist erfüllt, da die Impulsformerstufe 2'auf jeden Fall bei einem niedrigeren Wert der Eingangsgrösse anspricht. So hat das Löschsignal des Speichers 8 früher den Wert Null als das Eingangssignal den Wert L). Die Endstufe 5 wird also ausgesteuert.
Wird der Ansprechwert von 2'wieder unterschritten, muss der Speicher 4 gelöscht werden. Dazu ist es nötig, dass die Oder-Bedingung an 8 nicht erfüllt ist. Dies ist dann der Fall, wenn die Impulsfolge A2 eine Lücke hat. Das würde bedeuten, dass der Speicher 4 auf jeden Fall für die Dauer der "Lücke" des Signals A2, gelöscht wird, ganz gleich ob der Speicher 3 noch von der Stufe 2 eingespeichert ist oder nicht.
Es ist also nötig, die Signale A3 und A2, so miteinander zu überlappen, dass erst dann, wenn der Ansprechwert Uan2 wieder unterschritten wird, am Löscheingang des Speichers 4 ein L-Signal erscheint. Hiezu dient neben dem negierenden Oder-Gatter das Verzögerungsglied 7.
Der mit A2 eingespeicherte Speicher 3 wird durch den Nadelimpuls Ag gelöscht. Bis zu diesem Zeitpunkt liegt aber dessen Ausgangssignal As am Verzögerungsglied 7 und damit als A7 am Eingang des OderGatters (Das Signal der Kippschaltung 2'A ist kurz vorher zu Null geworden). Jetzt würde ohne das Verzögerungsglied 7 für einen Moment, bedingt durch die endliche Flankensteilheit, weder A7 noch A2, am Oder-Gatter 8 anliegen. Die Oder-Bedingung ist nicht erfüllt und ihre Negation ergibt Löschsignal für
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