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Einrichtung zur Umformung von elektrischen Impuls- oder
Wechselgrössen
Einrichtungen zur Impulsumformung, wie sie üblicherweise in der Nachrichtentechnik zur Wiederherstellung verstümmelter Impulse verwendet werden, sind meist als rückgekoppelte zweistufige Verstärkerschaltungen ausgebildet. Darin wird eine Stufe, wenn auch nicht stetig, immer im aktiven Bereich (Verstärkerbetrieb) verwendet, während die andere Stufe immer entweder im Sättigungs- oder im Sperrzustand (Schaltbetrieb) betrieben wird. Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Eingangsspannung lässt sich hiebei in Form einer Hystereseschleife darstellen. Die höchste Empfindlichkeit des Impulsumformers liegt dann vor, wenn der Gleichstromarbeitspunkt genau in der Mitte der Hystereseschleife liegt.
Für jeden andern Arbeitspunkt wird eine entsprechend höhere Eingangswechselspannung benötigt. Wird der Arbeitspunkt von der Mitte der Hystereseschleife weg verschoben, so verringert sich entsprechend die Empfindlichkeit, unabhängig davon, in welche Richtung er verschoben wird.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umformung von elektrischen Impuls- oder Wechselgrössen mitwenigsiens einem nichtlinearen Verstärkerelement, insbesondere einem Transistor, die. auf Grund ihrer Eigenschaften in weiterem Umfang als die bekannten ähnlich aufgebauten Schaltungen verwendbar ist, beispielsweise zur Überwachung von Impuls- oder Wechselspannungen. Erfindungsgemäss ist ein in seinem Ladungszustand von einer der Ausgangsgrössen (Ausgangsspannung, Ausgangsstrom) gesteuerter Speicher vorgesehen und dieser Speicher steuert vermittels seines Ladungszustandes den Arbeitspunkt des nichtlinearen Elements derart, dass die Empfindlichkeit im Betriebszutand grösser als im Ruhezustand ist.
Das Prinzip der Erfindung beruht also darauf, dass sich der Gleichstromarbeitspunkt beispielsweise der ersten Transistorstufe im Ruhezustand nicht in der Mitte der genannten Hystereseschleife befindet, wodurch die Empfindlichkeit reduziert ist. Während des Betriebszustandes wird der Arbeitspunkt zufolge seiner Abhängigkeit von einer der Ausgangsgrössen in die Mitte verschoben, wodurch die Empfindlichkeit erhöht wird. Hiedurch erhält der erfindungsgemässe Impulsumformer eine Abfallspannung, die wesentlich geringer ist als die Ansprechspannung. Dieser Umstand bietet folgende Vorteile, die den Anwendungsbereich der erfindungsgemässen Einrichtung erweitern.
Liegt die Amplitude der Eingangswechselspannung über dem Ansprechwert des Impulsumformers, so gewinnt man durch den kleineren Abfallwert eine höhere Sicherheit gegenüber Schwankungen der Amplitude der Eingangswechselspannung. Liegt nämlich die Eingangswechselspannung unterhalb des Ansprechwertes, so bleibt der Impulsformer in seiner Ruhelage.
Liegt die Amplitude der Eingangswechselspannung zwischen Ansprech- und Abfallwert des Impulsumformers, so kann dieser durch kurze Impulse vom Arbeitszustand in den Ruhezustand oder umgekehrt geschaltet werden. Hiefür waren bisher ausser einem Impulsumformer zusätzlich noch eine bistabile Speicherstufe und allenfalls noch ein Stromtor erforderlich.
Liegt die Amplitude der Eingangsspannung zwischen Ansprech- und Abfallwert des Impulsumformers, so kann dieser zur Überwachung der Eingangswechselspannung verwendet werden. Die Schaltung kann beispielsweise so ausgelegt werden, dass im ruhenden Zustand der Impulsumformer schon auf kurzzeitige Spannungserhöhungen anspricht, im arbeitenden Zustand können jedoch kurzzeitige Spannungsausfälle den Betrieb nicht beeinträchtigen. Diese Eigenschaft macht die erfindungsgemässe Einrichtung zur Überwachung von impuls- oderwechselstromgesteuerten, synchron laufenden Einrichtungen z.
B. elektrischen Uhren geeig- net : sie liefert zufolge ihrer Ansprech- und Abfalleigenschaften die Sicherheit, dass alle nachgeschalteten Ein- richtungen, also beispielsweise die von der Hauptuhr gesteuerten Synchronuhren noch synchron laufen.
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Die erfindungsgemässe Schaltung kann auch so ausgelegt werden, dass Spannungsausfälle bis zu einer gewissen Dauer überbrückt werden und dass sie erst nach längeren Pausen ihren Zustand ändert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. In allen Ausführungsbeispielen ist eine aus zwei Transistoren 1 und 2 bestehende Kippstufe vorgesehen. Der Transistor l arbeitet überall im Verstärkerbetrieb und ist mit seiner Basis entweder nur über einen Kondensator 3 oder über einen zwischengeschalteten Vorverstärker an den Eingang 4 geschaltet. Der Transistor 2 arbeitet in allen angegebenen Schaltungen im Schallbetrieb ; seine Basis ist über einen Widerstand 5 mit dem Kollektor des Transistors 1 verbunden.
Zur Erzielung einer höheren Umschaltgeschwindigkeit der Kippstufe kann dem Widerstand 5 ein Kondensator 6 parallelgeschaltet werden. Die Ausgangsspannung, die zwischen zwei verschiedenen Werten schwankt, wird an einem im Kollektorkreis des Transistors 2 liegenden Widerstand 7 oder an einem Spannungsteiler 7', 7" abgenommen. Mit 8 und 9 sind zwei zwischen den Basen der Transistoren 1 und 2 und dem Pluspol der Speisespannung liegende Widerstände bezeichnet, die zur Festlegung der Basispotentiale dieser Transistoren dienen. Mit 10 ist der Arbeitswiderstand des Transistors 1 bezeichnet. Über einen Widerstand 11 erfolgt die Rückkopplung der Ausgangsspannung des Impulsumformers an die Basis des Transistors 1, wodurch bei genügend starker Rückkopplung ein Kippverhalten der Schaltung erzielt wird.
Die einzelnen Ausführungsbeispiele unterscheiden sich durch die Art und Weise der Rückwirkung einer der Ausgangsgrössen auf den Transistor 1. Bei der Ausführung nach Fig. 1 wird die am Widerstand 7 auftretende Ausgangswechselspannung über zwei Kondensatoren 12 und 13'einem Gleichrichter 14 zugeführt. Am Kondensator 13 entsteht so eine Gleichspannung, die über einen Widerstand 15 an die Basis des Transistors 1 geführt wird und dort zur Steuerung des Gleichstromarbeitspunktes des Transistors 1 verwendet wird. Der Gleichstromweg wird hiebei über den Widerstand 16 geschlossen. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass die Einbaurichtung (Polarität) der Diode und damit die in der Ruhelage der Impulsumformungseinrichtung abgegebene Gleichspannung willkürlich gewählt werden kann.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 wird die am Ausgangswiderstand 7 auftretende Gleichspannung über die Widerstände 17 und 15 der Basis des Transistors l zugeführt ; der Wechselspannungsanteil der Ausgangsspannungwirdhiebei über den Kondensator 13 abgeleitet. Diese Schaltung hat keine definierte Ruhelage, da der Arbeitspunkt der Ruhelage oberhalb oder unterhalb des Arbeitspunktes der Arbeitslage liegen kann, was jedoch für die Funktion der Schaltung ohne Bedeutung ist, solange sie in der Arbeitslage empfindlicher ist als in jeder der beiden Ruhestellungen. Fig. 3 zeigt eine Schaltung, bei der der Ausgangswiderstand als Spannungsteiler 7', 7" ausgebildet ist, wobei dessen Teilwiderstand 7" ein Kondensator 18 parallelgeschaltet ist.
Hier wird der Gleichstromanteil des Ausgangsstroms über den Widerstand 15 an die Basis des Transistors 1 rückgekoppelt.
Bei den Schaltungen nach den Fig. 1-3 liegen die Emitter der Transistoren an einem eigenen Nullpotential, während ihre Basen eine positive Vorspannung aufweisen. Bei den Schaltungen nach den Fig. 4 bis 7 erübrigt sich ein eigenes Emitterpotential durch Verwendung eines den beiden Transistoren 1 und 2 gemeinsamen Emitterwiderstandes 19 bzw. eines Spannungsteilers 19', 19"im Emitterstromkreis der Schaltung nach Fig. 6.
Die Schaltung nach Fig. 4 besitzt einen dem Transistor 1 vorgeschalteten Vorverstärker mit einem weiteren Transistor 20. Die Abhängigkeit des Gleichstromarbeitspunktes von der Ausgangsgrösse wird
EMI2.1
tet.
Die Schaltung nach Fig. 5 weist in den beiden Endlagen der Kippschaltung verschiedenen Stromverbrauch auf, so dass am Emitterwiderstand 19 eine Impulsspannung auftritt, deren Wechselstromanteil über einen dem Emitterwiderstand 19 parallelgeschalteten Kondensator 23 abgeleitet wird.
Eine ähnliche Anordnung, bei der die Kippschaltung als Schmitt-Trigger ausgebildet ist, zeigt Fig. 6.
Dort ist der Emitterwiderstand als Spannungsteiler 19', 19"ausgebildet, wobei der Kondensator 23 zum Ableiten des Wechselstromanteiles dem Teilwiderstand 19"parallelgeschaltet ist. Bei der letzteren Schaltung ist keine Spannungsrückkopplung vom Ausgang an die Basis des Transistors 1 mehr vorgesehen.
In Fig. 7 ist ein Impulsumformer mit einer Vorverstärkerstufe dargestellt, die selbst das nichtlineare Verstärkerelement darstellt. Die Eingangswechselspannung wird hier mittels eines Übertragers 24 in den Emitter-Basis-Kreis des Transistors 25 der Vorverstärkerstufe eingespeist. Die Ausgangsspannung wirkt über den Widerstand 17 auf den Emitter des Transistors 25 zurück. Mit 26 ist ein zwischen
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dem Kollektor des Transistors 25 und der Basis dee Transistors 1 eingeschalteter Kondensator bezeich- net, der zur Ankopplung des Ausgangssignals der Vorverstärkerstufe an die Kippstufe l, 2 dient. Der
Emitterwiderstand des Transistors 25 ist mit 27 bezeichnet ; ihm ist der Kondensator 23 zur Ableitung des Wechselspannungsanteiles der rückwirkenden Ausgangsspannung parallelgeschaltet.
Bei allen angegebenen Schaltungen ist der Betriebszustand des Impulsumformers (schwingend oder nicht) durch den Ladungszustand eines Kondensators 13 bzw. 23 bestimmt. Wenn sich der Betriebszu- stand ändert, so erfolgt eine entsprechende Änderung der Kondensatorladung nicht sofort, sondern nach einer Exponentialfunktion, die durch die Zeitkonstanten der Schaltung bestimmt wird. Daraus lässt sich jene minimale Dauer eines Impulses bzw. einer Impulspause ermitteln, die erforderlich ist, dass während einer Impulsreihe der Betriebszustand etwa konstant bleibt ; somit ergibt sich aus den vorgegebenen Im- pulszeiten der Maximalwert der Kapazität.
Der Minimalwert der Kapazität ist so zu bemessen, dass die
EMI3.1
Es ist auch möglich, den Ladungszustand des Kondensators durch zusätzliche Ladeimpulse zu ändern, wobei dann auch auf die Umladungszeitkonstante keine Rücksicht genommen zu werden braucht. Eine gute Siebwirkung ist jedoch auch hiebei unerlässlich.
Die angegebenen Schaltungen können noch auf verschiedene Art und Weise abgeändert werden. So ist es beispielsweise möglich, entsprechende Schaltungen mit Röhren und teilweise auch mit Glimmröhren oder Vierschichtdioden auszustatten. Es kann der Impulsumformer ein Schmitt-Trigger oder ein aus Komplimentärtransistoren aufgebauter bistabiler Multivibrator sein. Es sind hiezu aber auch alle andern bistabilen oder monostabilen Kippschaltungen, z. B. Sperrschwinger, geeignet. Bei allen kann durch den geeigneten Einbau eines vom Betriebszustand gesteuerten Speichers das gewünschte Verhalten erzielt werden.
Auch bezüglich der Art des Speichers und der Art seiner Anschaltung sind verschiedene Varianten möglich. So kann beispielsweise an Stelle einer Siebung mittels Kondensatoren und Widerständen auch eine Siebung mittels Induktivitäten und Widerständen oder Induktivitäten und Kondensatoren erzielt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Umformung von elektrischen ! 1 Impuls- oder Wechselgrössen mit wenigstens einem nichtlinearen Verstärkerelement, insbesondere einem Transistor, dadurch gekennzeichnet, dass ein in seinem Ladungszustand von einer der Ausgangsgrössen (Ausgangsspannung, Ausgangsstrom) gesteuerter Speicher (13) vorgesehen ist, und dass dieser Speicher vermittels seines Ladungszustandes den Arbeitspunkt des nichtlinearen Elements (1) derart steuert, dass die Empfindlichkeit im Betriebszustand grösser als im Ruhezustand ist (Fig. 1).