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Kippschaltung Die Erfindung betrifft eine Kippschaltung mit Transistoren nach Art eines Schmitt-Triggers, die durch eine zumeist stetig veränderliche Eingangsgrösse ausgesteuert wird und dabei als Verstärker mit unstetiger Charakteristik auf ein Relais wirkt.
Die Eingangsgrösse erreicht beim Durchlaufen ihres normalen Änderungsbereiches einen oberen und einen unteren Schwellenwert der Charakteristik der Kippschaltung, und diese kippt dabei jeweils in einen elektrischen Zustand, der dem gerade erreichten Schwellenwert zugeordnet ist. Es sind zwei elektrische Zustände der Kippschaltung möglich ; beim ersten ist das Relais erregt, beim zweiten entregt.
DieSchwellenwertekönnen in der Regel als Festpunkte der Charakteristik aufgefasst werden ; ihre Lage richtet sich nach der elektrischen Bemessung der Kippschaltung. Mithin gilt der Betrag der Eingangsgrösse als Kriterium für den Schaltzustand des Relais. Eine Schaltung der genannten Art dient bekanntlich dazu, um Schalthandlungen auszulösen, wenn ein dem Eingang der Kippschaltung zugeführtes, verhältnismässig schwachsesSignal Grenzwerte seines Änderungsbereiches erreicht oder überschreitet. Wenn die absolute Änderung des Signals relativ gross ist, arbeiten solche Schaltungen einwandfrei. Sollen jedoch sehr kleine Signaländerungen erfasst werden, so ergeben sich bei den bekannten Kippschaltungen Schwierigkeiten, und es muss zumeist eine Zwischenverstärkung vorgesehen werden.
Das erwähnte Relais ist elektromechanischer oder elektronischer Natur. Bei Verwendung eines elektronischenRelais und einer impulsförmigen Eingangsgrösse dient die genannte Kippschaltung vielfach als soge- nannter Impulsfotmer. Für solche Einrichtungen gilt das im vorstehenden und folgenden Gesagte gleichermassen, wenn sehr schwache Impulse oder schmale Amplitudenbereiche eines Impulsamplitudenspektrums zuverlässig erfasst werden sollen.
Ziel der Erfindung ist, bei einer Kippschaltung der genannten Art mit einfachsten Mitteln eine sehr wirkungsvolle Beeinflussung des Schwellenwertabstandes. der sogenannten Schalthysterese, zu erreichen, vorzugsweise die Hysterese wesentlich zu verkleinern und dadurch die Empfindlichkeit der Schaltung zu steigern.
Bei einer Kippschaltung mit Transistoren, bei der an einen ersten Transistor ein Relais angeschlossen und dem mit einem Steuerelement versehenen Eingang eines zweiten Transistors eine veränderbare Steuer- leistung zugeführt ist. die zur Auslösung einer Steuerwirkung innerhalb der verfügbaren Steuerleistung des Steuerelementes beim Ansteigen einen oberen Schwellenwert und beim Abnehmen einen von diesem um den Betrag der Schalthysterese entfernten unteren Schwellenwert mindestens erreicht, wobei die Kippschaltung jeweils denjenigen von zwei möglichen elektrischen Zuständen annimmt, der dem gerade erreichten Schwellenwert entspricht, ist dies erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass zur Emitter-Kollektorstrecke des ersten Transistors ein Widerstand parallelgeschaltet und so bemessen ist,
dass die Schalthysterese stets kleiner ist als die kleinste verfügbare Steuerleistung des Steuerelementes.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen : Fig. l ein Schaltbild, Fig. 2 ein Diagramm und Fig. 3-6 Schaltungsvarianten.
Die Stromversorgung der Schaltung gemäss der Fig. 1 erfolgt durch eine Gleichspannungsquelle 1, die eine Batterie oder ein stabilisiertes Netzanschlussgerät sein kann, über Leitungen 2 und 3, von denen in Punkten 4,5, 6,7 und 8 Strompfade abgezweigt sind. Zwischen den Leitungen 2,3 liegt ausserdem ein Spannungsteiler 9 mit einem zur Einstellung des Arbeitspunktes der Schaltung vorzugsweise veränderbaren
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Abgriff 10. Der Strompfad 4 - 5 enthält zwei Widerstände 11 und 12 sowie die Emitter-Kollektorstrecke eines ersten Transistors 13, zu der ein vorzugsweise regelbarer Widerstand 14 parallelgeschaltet ist.
Die Basis des Transistors 13 steht in einem Schaltungspunkt 15 mit einer aus drei Widerständen 16,17 und 18 gebildeten und an den Punkten 6 und 7 gespeisten Widerstandskette in Verbindung, an deren Verbindungspunkt 19 der Kollektor eines zweiten Transistors 20 angeschlossen ist.
Zwischen dem Abgriff 10 des Spannungsteilers 9 und dem Punkt 8 liegt ein weiterer Spannungsteiler mit einerAnschlussstelle 21. der aus einem Widerstand 22 und einem als veränderbarer Widerstand ausgebildeten Steuerelement. 23 besteht. Die Emitter der Transistoren 13 und 20 sind in einem Schaltungspunkt 24 unmittelbar verbunden.
Die Anschlussstelle 21 wird als Eingang der Schaltung bezeichnet, während ein Schaltungspunkt 25 zwischen dem Kollektor des Transistors 13 und dem Widerstand 11 gewöhnlich als Ausgang der Schaltung gilt. Der Widerstand 11 versinnbildlicht hier einen Verbraucher, also z. B. ein Relais oder den Eingang einer Folgeschaltung.
Die Wirkungsweise der soeben beschriebenen Schaltung geht aus dem Strom-Spannungsdiagramm der Fig. 2 hervor. Eine Widerstandsänderung des Steuerelementes 23 (Fig. l) ruft ein Anwachsen bzw. Abnehmen der Eingangsspannung U hervor, die in der Fig. 2 auf der Abzisse aufgetragen ist. Erreicht die Eingangsspannung U beim Ansteigen einen oberen Schwellenwert So, so kippt die Schaltung in bekannter Weise in einen diesemSchwellenwerrzugeordneten elektrischen Zustand. Das Zuriickkippen erfolgt, wenn die Eingangsspannung U auf einen unteren Schwellenwert Su abgesunken ist. Auf der Kennlinie A ist dem Schwellenwert Su der Kippunkt Ku, dem Schwellenwert So der Kippunkt Ko zugeordnet.
Der Abszissen abstand der Punkte Ku und Ko heisstSpannungshysterese. ihr Ordinatenabstand Stromhysterese. Da die Aussteuerung einer Transistorschaltung eine Steuerleistung erfordert. wrd in Zusammenfassung dieser Begriffe im folgenden von Schalthysterese gesprochen.
Die KennlinieA zeigt das Verhalten der Schaltung nach der Fig. l, wenn der Widerstand 14 unendlich gross ist. Eine Verkleinerung des Widerstandes 14 bewirkt ein Zusammenrücken der Kippunkte ; in einer Versuchsschaltung wurde mit einem Wert des Widerstandes 14 von 100 Ohm die Kennlinie B erzielt ; Je kleiner also der Wert des Widerstandes 14 ist, desto kleiner wird die Schalthysterese. Zwischen beiden Kennlinien A und B lässt sich bei geeigneter Wahl des Widerstandes 14 jede beliebige Kennlinienlage einstellen.
Der Übersicht halber sind in der Fig. 2 die unteren Äste a und b der Kennlinien A und B deutlich aus- einandergezogen. Tatsächlich fallen jedoch sämtliche Punkte Ko der Kennlinienschar annähernd in einem Punkt zusammen, d. h., der obere Schwellenwert bleibt bei allen Einstellungen des Widerstandes 14 nahezu konstant.
Die Anordnung des Widerstandes 14 bringt nicht nur den Vorteil einer äusserst wirkungsvollen Einflussnahme auf die Schalthysterese, sondern bewirkt ausserdem eine starke Abflachung der Belastungskurve der Gleichspannungsquelle l, weil hiebei der Widerstand 16 hochohmig sein kann. Die Gleichspannungsquelle 1 ist daher in jeder der beiden elektrischen Zustände, welche die Kippschaltung annehmen kann, annähernd gleich belastet. Dies vereinfacht die Auslegung z. B. eines stabilisierten Netzanschlussgerätes wesentlich.
Für Anwendungsfälle der Erfindung, in denen lediglich eine kleine Schalthysterese, nicht aber deren Veränderbarkeit gefordert ist, kann als Widerstand 14 die Wicklung eines Relais gewählt werden. Dies zeigt die Fig. 3, in der ein Teil der Schaltung nach der Fig. l in veränderter Form dargestellt ist. Gleiche Teile wie in der Fig. 1 sind in der Fig. 3 und auch in den Fig. 4,5 und 6 mit den in der Fig. 1 gewählten Bezugszahlen bezeichnet.
Im Schaltungsdetail der Fig. 3 liegt elektrisch parallel zur Emitter-Kollektorstrecke des Transistors 13 ein Relais 26 mit wenigstens einem Schaltkontakt 27 ; der Widerstand 11 ist in diesem Fall ein normaler ohmscher Widerstand. Diese Anordnung des Relais 26 hat ausserdem gegenüber seiner Anordnung an der Stelle des Widerstandes 11 den Vorteil, dass für die Aussteuerung des Relais 26 ein grösserer Stromhub zur Verfügung steht.
Will man dennoch auf die Schalthysterese während des Betriebes der Schaltung Einfluss nehmen, so ist die Schaltungsart nach der Fig. 4 zu wählen, bei welcher der Widerstand 12 als Potentiometer 28 ausgebildet und ein Ende der Wicklung des Relais 26 an dessen Abgriff 29 angeschlossen ist. Bei dieser Schaltungsart tritt allerdings eine merkliche Divergenz der Kurvenäste a und b (Fig. 2) auf, so dass die Kipppunkte Ko nicht mehr zusammenfallen, was in einigen Anwendungsfällen der Erfindung teils belanglos, teils sogar erwünscht sein kann.
Dem Transistor 20 muss, wie bereits erwähnt, eine veränderbare Steuerleistung zugeführt werden. Zu
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diesem Zweck ist das Steuerelement 23 angeordnet. Dieses setzt eine auf es einwirkende äussere Grösse, z. B. eine mechanische Verstellbewegung, in eine Änderung einer dem Steuerelement 23 zugeführten oder in diesem erzeugten Steuerleistung um, welche die am Transistor 20 wirksame Eingangsgrösse darstellt.
Die verfügbareSteuerleistung des Steuerelementes 23 hängt von dessen Natur ab ; sie kann bei einem mechanisch veränderbaren Widerstand sehr gross, bei einem Photowiderstand oder einem Widerstandsthermometer ziemlich klein sein. Meist ist die verfügbare Steuerleistung des Steuerelementes 23 wesentlich kleiner als diejenige der das Steuerelement 23 beeinflussenden Grösse, wie z. B. Wärme, Licht usw. Beispielsweise ruft eine sehr grosse Änderung der Wärmeleistung einer Wärmequelle eine nur sehr kleine Widerstandsänderung eines die als Folge dieser Wärmeleistung auftretende Temperatur abtastenden Widerstandsthermometers hervor.
Soll also die Leistungsabgabe einer Wärmequelle unter Zuhilfenahme einer Kippschaltung der beschriebenen Art als Zweipunktregler auf einem möglichst konstanten Wert gehalten werden, so muss die Kippschaltung wegen der kleinen verfügbaren Steuerleistung des allenfalls verwendeten Widerstandsthermometers eine möglichst kleine Schalthysterese aufweisen ; für das die Wärmequelle unmittelbar oder mittelbar schaltende Relais 26 wäre in diesem Fall eine Wicklung mit kleinem Widerstand zu wählen.
Im Beispiel der Fig. l könnte das Steuerelement 23 eine temperaturabhängiges Bauelement, z. B. ein sogenannter NTC-Fühler sein. In der Fig. 5 ist als Steuerelement ein strahlungsempfindliches Bauelement 30 angegeben, das unter der Einwirkung einer Strahlung 31, z. B. von elektromagnetischer Wellenstrahlung, von Korpuskular oder von Schallstrahlung, eine Steuerwirkung ausübt. Das strahlungsempfindliche Bauelement 30 kann eine Widerstandszelle oder ein Element sein, das unter Strahlungseinfall eine EMK erzeugt, z. B. ein Photoelement.
Schliesslich zeigt die Fig. 6, dass das Steuerelement auch in den Transistor 20 selbst verlegt, also ein integraler Bestandteil des Transistors 20, z. B. dessen Basis sein kann, wobei die Temperaturabhängigkeit des Transistors oder bei Verwendung eines Phototransistors dessen Strahlungsempfindlichkeit ausgenutzt wird.
Der Art des jeweils gewählten Steuerelementes entsprechend eignet sich die beschriebene Kippschaltung vorzüglich als hochempfindlicher elektronischer Zweipunktregler ; z. B. als Thermostatschalter, als Strahlungspegelwächter, als lichtelektrischer Schalter zur Überwachung von Flammen in Feuerungsanlagen, als Lichtschranke u. dgl.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kippschaltung'mit Transistoren, bei der an einen ersten Transistor ein Relais angeschlossen und dem mit einem Steuerelement versehenen Eingang eines zweiten Transistors eine veränderbare Steuerleistung zugeführt ist. die zur Auslösung einer Steuerwirkung innerhalb der verfügbaren Steuerleistung des Steuerelementes beim Ansteigen einen oberen Schwellenwert und beim Abnehmen einen von diesem um den Betrag der Schalthysterese entfernten unteren Schwellenwert mindestens erreicht, wobei die Kippschaltung jeweils denjenigen von zwei möglichen elektrischen Zuständen annimmt, der dem gerade erreichten Schwellenwert entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass zur Emitter-Kollektorstrecke des ersten TransistOrs (13) ein Widerstand (14 ;
26 ; 28) parallelgeschaltet und so bemessen ist, dass die Schalthysterese stets kleiner ist als die kleinste verfügbare Steuerleistung des Steuerelementes (23 ; 30 ; 20).