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Schaltungsanordnung zur elektronischen Nachbildung eines Relais In
der elektronischen Technik besteht häufig die Aufgabe, in Ausgangsschaltungen bistabile
Glieder zu verwenden, die als Ersatz für elektromechanisch arbeitende Relais geeignet
sind. Es ist bekanntgeworden, ein Relais an dieser Stelle durch eine bistabile Kippschaltung
oder aber durch ein elektronisches Schaltglied in Verbindung mit einer bistabilen
Kippschaltung zu verwenden, das abhängig von der gewünschten Steuerung einen Strom
über den Verbraucher fließen läßt oder nicht bzw, den Strom in den Verbraucher entsprechend
dem gewünschten Schaltzustand in die eine oder andere Richtung steuert, Mit derartigen
Schaltmitteln können verschiedenartige Relais, z. B. einfache Relais, bistabile
Relais, z. B. gepolte Relais, oder auch Stromstoßrelais, z. B, Remanenzrelais, nachgebildet
werden. Der Vorteil der elektronischen Nachbildungen liegt in der gegenüber mechanischen
Relais sehr viel höheren Schaltgeschwindigkeit, wobei keinerlei Abnutzungsersebeinungen
(Kontaktabbrand) auftreten.
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Bei den meisten bekannten Anordnungen, sofern man nicht verhältnismäßig
komplizierte Zwischenglieder in Form von Modulatoren zwischenschaltet, besteht jedoch
noch der für viele Anwendungszwecke unerwünschte Nachteil, daß der Eingangskreis,
mit dem das elektronische Schaltglied in einen bestimmten, vorzugsweise stabilen
Schaltzustand übergeführt wird, nicht vom Ausgangskreis galvanisch entkoppelt ist.
Bei einem mechanischen Relais ist bekanntlich diese Bedingung immer erfüllt, da
zwischen der Wicklung des Relais als Eingangskreis und den Kontakten im Ausgangskreis
im allgemeinen keine galvanische Verbindung besteht.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung, mit der auch
noch dieser Nachteil beseitigt wird. Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung
ist darüber hinaus geeignet, jede bekannte Art von Relais nachzubilden. Sie ist
dadurch, gekennzeichnet, daß als bistabiles Speicherglied ein Transfluxor vorgesehen
ist, dessen Steuer- (Einstell-) Wicklung von den Steuerimpulsen beaufschlagt wird
und dessen Übertrageröffnung eine Wechselspannung zugeführt wird. Das in einer Sekundärwicklung
dieser Übertrageröffnung induzierte Ausgangssignal wird gleichgerichtet und zur
Steuerung eines, Schahtransistors herangezogen.. Die Schaltungsanordnung nach der
Erfindung besteht somit aus der Hintereinanderschaltung eines Transfluxors, eines
Gleichrichte.rs und mindestens eines Transistors, der schließlich den Strom über
einen Verbraucher schaltet. Dem. Transistor wird hierbei zu seiner Steuerung eine
Über den Transfluxor geführte> gleichgerichteter Wechselspannung zugeführt. Je nach
dem Zustand des Transfluxors, also je nachdem, ob er eingestellt oder blockiert
ist, wird die zugeführte Wechselspannung an den Transistor weitergegeben oder nicht.
Da zwischen dem Eingangskreis, der Wechselstromquelle und dem Ausgangskreis jeweils
nur eine induktive Kopplung vorhanden ist, wird die gewünschte galvanische Trennung
sicher erreicht.
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Ehe an Hand einer Reihe von Ausführungsbeispielen Einzelheiten der
neuen Schaltungsanordnung erläutert werden, sei, darauf hingewiesen, daß unter einem
Transfluxor ganz allgemein ein durch einen kurzen Impuls einstellbarer Vierpol zu
verstehen ist, dem eingangsseitig eine Wechselspannung zugeführt wird und von dem
ausgangsseitig diese Wechselspannung je nach der Einstellung abgenommen werden
kann oder nicht.
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An Hand der Fig. 1 wird zunächst das Prinzip; der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung erläutert. In dieser Figur ist ein Transfluxor Tf dargestellt,
der eine Vormagnetisierungswicklung V und eine Einstellwicklung E in an sich
bekannter Weise besitzt. Über die übertrageröffnung ist eine Wechselstromleitung
W 1 mit einer Ausgangsleitung W 2 gekoppelt, wobei in an, sich bekannter
Weise eine Übertragung des über die Wicklung W 1 zugeführten Stromes auf
die Wicklung W2 nur dann möglich-. ist, wenn der Transfluxor eingestellt ist.
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über die Diode D in Verbindung mit dem Kondensator C'wird die
Ausgangsspannung der Wicklung W 2 gegebenenfalls gleichgerichtet und zwischen den
Ernitter und die Basis des Transistors- Tr angelegt. Der Transistor Tr wird hierbei
geöffnet, sofern eine
entsprechende Spannung vorhanden ist, während
er, solange an der Wicklung W2 keine Ausgangsspannung auftritt, gesperrt ist. Je
nach der Ausgangsspannung der Wicklung W2, also je nach der Einstellung eines
Transfluxors, fließt somit durch den Verbraucherwiderstand Ra Strom oder kein Strom.
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Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel ist eine einfache Einweggleichrichterschaltung
verwendet. Es kann deshalb nur während einer halben Periode Steuerleistung für den
Transistor Tr übertragen werden. Aus diesem Grund ist eine verhältnismäßig große
Zeitkonstante des RC-Gliedes notwendig, die zu einer gewissen Verzögerung zwischen
dem Auftreten des Steuerimpulses auf die Einstellwicklung des Transfluxors und dem
dazugehörigen Anstieg bzw. Abfall des Ausgangsstromes des Transistors auftritt.
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Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel kann hinsichtlich
der Steuerung des Transistors durch eine Vorspannung für die Basis bzw. den Emitter
des Transistors ergänzt werden. Diese Spannung ist deshalb für das Arbeiten des
elektronischen Relais von besonderer Bedeutung, weil im blockierten Zustand des
Transfluxors die Gleichrichterschaltung hochohmig ist und daher das Potential zwischen
Emitter und Basis nicht genau definiert wird. Die Fig. 2 zeigt diese Variante einer
Schaltungsausführung, wobei in Reihe mit dem Widerstand R eine Spannungsquelle
E
geschaltet ist.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung kann die Spannungsquelle E durch Gleichrichtung der Wechselspannung
abgeleitet werden, die an sich auch zur Steuerung des Transistors Tr selbst vorgesehen
ist. Hierbei ist es dann besonders vorteilhaft, diese Gleichspannung über einen
eigenen Transfluxor je-
weils nur dann zu erzeugen, wenn der Transistor gesperrt
sein soll, d. h. wenn der Haupttransfluxor für die Steuerung des Transistors
(Steuertransfluxor) blockiert ist. Zu diesem Zweck muß dann der zusätzlich angeordnete
Transfluxor zu diesen Zeiten eingestellt werden. Die Fig. 3 zeigt hierzu
ein Ausführungsbeispiel. Die Vormagnetisierungswicklung V
und die Einstellwicklung
E sind mit den beiden Transfluxoren Tf 1 und Tf 2 gegenphasig verkettet,
so daß also im eingestellten Zustand cles Transfluxors Tf 1 der Transfluxor
Tf 2 blockiert ist, und umgekehrt. Sofern der Transfluxor Tf 2 eingestellt und der
Transfluxor Tf 1 blockiert ist, wird über die zugehörige Wicklung W2 des
Transfluxors Tf 2 durch Gleichrichtung an dem Kondensator C 2 eine Gleichspannung
erzeugt, die als Vorspannung zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors
Tr wirksam wird und diesen Transistor sicher in den Sperrzustand steuert.
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In der Fig. 4 ist ein Transfluxor dargestellt, der sich für die Zwecke
der Erfindung besonders eignet. Dieser Transfluxor besitzt außer einem exzentrischen
Mittelloch zwei kleinere Löcher, von denen das eine für die Einstellwicklung
E und das andere für die gesteuerte übertragung verwendet wird. Die Blockierwicklung
B ist über das exzentrische Mittelloch an die Stelle geführt, an der der Kemquerschnitt
am geringsten ist. Einstellung bzw. Blockierung können dabei bereits durch einen
kurzen Stromimpuls erreicht werden. Diese Ausführungsforin des Transfluxors hat
den Vorteil, daß für die gesteuerte übertragung unipolare Impulse, die phasenverschoben
über zwei verschiedene Wicklungen zugeführt werden, verwendet werden können. In
der Zeichnung ist als Wechselstromerzeuger die Impulsquelle I dargestellt, die über
zwei Ausgangsleitungen zwei phasenverschobene Impulse gleicher Impulsfolgefrequenz
abgibt. Je nachdem, ob der Transfluxor eingestellt oder blockiert ist, werden die
von dem Impulsgenerator I abgeleiteten Impulse in die Sekundärwicklung W2 induziert
und können, wie bereits an Hand der Fig. 1 und 3 erläutert, zur Steuerung
eines Transistors nach ihrer Gleichrichtung herangezogen werden.
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In der Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei
dem ein Transfluxor Tf, dessen Arbeitsweise an Hand der Fig. 4 kurz erläutert wurde,
zur Steuerung eines Einfachstromschalters für hohe Spannungen unter Verwendung von
Kompleinentärtransistoren T 1
und T2 herangezogen werden kann. Die
beiden Transistoren sind in an sich bekannter Weise in Reihe geschaltet. Der hochohmige
Spannungsteiler R3, R4
verteilt im Sperrzustand die Spannung auf die beiden
Transistoren. Vorteilhafterweise werden die Widerstände R 3 und R
4 gleich groß gemacht. Die beiden Transistoren werden gemeinsam im eingestellten
Zustand des Transfluxors Tf leitend und im blockierten Zustand über die Vorspannung,
die von der Spannungsquelle E abgeleitet ist, blockiert.
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Die Verwendung von Komplementärtransistoren ist gelegentlich nicht
erwünscht. In diesen Fällen können zur Schaltung von hohen Spannungen auch zwei
oder mehr gleichartige Transistoren verwendet werden, die dann allerdings, da die
Steuerkreise für die Transistoren galvanisch getrennt werden müssen, über parallel
arbeitende Transfluxoren anzusteuern sind. Die Fig. 6 zeigt schematisch ein
derartiges Ausführungsbeispiel, wobei die Transistoren T3, T4
über jeweils einen eigenen Ansteuermechanismus von je
einem nicht dargestellten
Transistor in gleicher Weise gesteuert werden, so daß entweder beide Transistoren
geöffnet oder gesperrt sind. Im Sperrzustand wird die Spannung wiederum über den
Spannungsteiler R 3
und R 4 gleichmäßig über die beiden Transistoren
T 3
und T4 verteilt.
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Die erläuterten Ausführung ,sb eispiele können auch auf bistabile
Doppelstromschalter ergänzt werden. Ein Ausführungsbeispiel hierzu zeigt die Fig.
7, bei der zur Steuerung eines Doppelstromes in den Verbraucher Ra zwei Komplementärtransistoren
T 5, T 6
vorgesehen sind, die gegensinnig über die beiden Transfluxoren
Tf 3 und Tf 4 so gesteuert werden. daß dann, wenn der Transfluxor Tf
1 eingestellt ist und damit den Transistor T 5 öffnet, der
Transfluxor Tf 4
gesperrt ist und den Transistor T 6 zumindest weitgehend
in den Sperrzustand überführt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind zwei Vorspannungsquellen
U 1 und U 2 notwendig. Diese können, wie in Fig. 8 dargestellt,
mit Hilfe eines aus den zusätzlichen Widerständen R 7, R 8 bzw. R
9 und R 10 bestehenden Spannungsteilers ersetzt werden, wobei
diese Spannungen dann jeweils an den Widerständen R 7 bzw. R 9 auftreten.
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Die Fig. 9 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel, bei dem
ein Doppelstromschalter mit zwei gleichen Transistoren, die ebenfalls serienweise
über zwei Transfluxoren angesteuert werden, aufgebaut ist. In diesem Fall drehen
sich lediglich die Spannungsverhältnisse zur Steuerung der Transistoren um,
d. hzum Sperren des Transistors T 8, sofern der Transistor
T7 leitend ist, ist ein umgekehrtes Potential notwendig wie zum Sperren des
Transistors T6 in Fig. 7.
Es ist bekannt, mit Hilfe
eines Einfachstromschalters in Verbindung mit einer Brückenschaltung in einem Verbraucher
einen Doppelstrom hervorzurufen. Dies kann selbstverständlich in anderer Weise auch
mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung erfolgen, wie an Hand der Fig.
1 bis 5 erläutert, wobei der Einfachstromschalter in Form eines einzigen
Transistors angesteuert werden kann. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel hierzu
ist in Fig. 10
dargestellt.
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Fig. 11 zeigt schließlich als Variante einen Doppelstromschalter
als elektronischen Ersatz des Telegrafenrelais, bei dem außer den beiden Endlagen
» + « und » - « eine »0«-Stellung auf die Ausgangsseite übertragen
wird. Derartige Schalter werden beispielsweise in elektronischen Vermittlungsanlagen
benötigt. Das dargestellte Schaltungsbeispiel benötigt für diesen Zweck zwei Transfluxoren
Tf 5 und Tf 6.
Das gleichgerichtete Ausgangssignal
eines jeden der beiden Transfluxoren wird der Basis-Emitter-Strecke je eines
Schalttransistors, im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Komplementärschalttransistoren
TIO und Tll, zugeführt. Die auf beide Keine zugeführte Vormagnetisierungswicklung
sorgt dafür, daß im stromlosen Eingangszustand beide Transfluxoren blockiert und
damit die beiden Transistoren T10 und T11 gesperrt werden. Bei einem positiven Eingangsstrom
hingegen wird der Transfluxor Tf5 eingestellt und damit der Transistor T10 leitend,
während bei negativem Eingangsstrom der TransfluxorTf6 eingestellt und damit der
TransistorT11 geöffnet wird, während in diesem Fall der Transfluxor Tf
5 blockiert ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt.
Insbesondere sind Kombinationen der einzelnen Ausführungsbeispiele ohne weiteres
denkbar, d. h., zur Erzeugung der verschiedenen Vorspannungen können die
einzelnen Transfluxoren mit herangezogen werden, bzw. es können noch weitere Transfluxoren
vorgesehen werden, über die, wie an Hand der Fig. 3 erläutert, eine Vorspannung
erzeugt wird. Außerdem können selbstverständlich im Rahmen der Erfindung auch Mehrweggleichrichter
zur Erzeugung der Steuer- bzw. Sperrspannung für die Transistoren vorgesehen werden.
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Weiterhin ist es ohne weiteres denkbar, zum Aufbau eines Doppelstromschalters
die beiden Transfluxoren gegenseitig in einer Art bistabiler Rückkopplungsschaltung
zu betreiben, so daß das öffnen eines Transistors zwangsweise das Schließen des
anderen Transistors zur Folge hat. Hierdurch können dann Vorspannungsquellen ganz
wegbleiben, und trotzdem wird der Trägheitseffekt der einzelnen Transistoren sicher
aufgehoben.
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Ausführungsbeispiele hierzu sind in den Fig. 12 bis 14 wiedergegeben.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 12 werden die einzelnen, als Schalter
wirkenden Transistoren Sl und S2 im Gegensatz zu den bereits erläuterten
Ausführungsbeispielen über je einen Doppelweggleichrichter G 1 und
G 2 angesteuert. Darüber hinaus enthält die Schaltung noch die beiden Kondensatoren
C 1
und C2, die in bei bistabilen Kippschaltungen bekannter
Weise ein abhängiges gegenseitiges Schalten der beiden SchalttransistorenS1 und
S2 erzwingen, in dem sie beim öffnen eines Transistors durch den an dem Kollektor
dieses Transistors auftretenden Spannungssprung den anderen Transistor sicher in
den Sperrzustand steuern. Hierdurch wird ein sehr schnelles Arbeiten der Schaltungsanordnung
gewährleistet. Außerdem wird ein Glättunc:"sglied weitgehend überflüssig.
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Wie aber schon an Hand der oben erläuterten Ausführungsbeispiele dargelegt
wurde, arbeitet die Schaltungsausführung auch ohne die Kondensatoren Cl
und
C 2, jedoch mit wesentlich größerer Schaltzeit, da das öffnen und
Schließen der Kondensatoren in diesem Fall abhängig von den beiden Transfluxoren
Tf 1
und Tf 2, im übrigen aber völlig unabhängig voneinander erfolgt.
Die in einem gerade geöffneten Transistor angereicherten Ladungsträger müssen, da
keine Gegenspannung angelegt wird, entsprechend langsam ausgeglichen werden.
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Sollen bei der Ausführungsform nach Fig. 12 die Stromverhältnisse
im Verbraucher umgekehrt werden, dann kann dies dadurch geschehen, daß durch den
jeweils eingestellten Transfluxor aus dem dazugehöri-,en Transistor über die Doppelweggleichrichter
G 1
bzw. G2 Basisstrom gezogen und der Transistor damit geöffnet
wird. Bei einer derartigen Ausführung fließt über den dem gerade blockierten Transfluxor
zugeordneten Transistor der Kollektorreststrom, der jedoch durch Vorspannung des
Transistors ohne wesentlichen Aufwand verringert werden kann.
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Bei den zuletzt erläuterten beiden Ausführungsbeispielen sind die
beiden Schalttransistoren jeweils über Kondensatoren gegenseitig so gekoppelt, daß
beim Öffnen des einen Transistors der andere sicher in den Sperrzustand gesteuert
wird.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 14 zeigt, daß es im Rahmen der Erfindung
auch ohne weiteres möglich ist, mit Hilfe der Ausgangsspannung eines gerade »eingestellten«
Transfluxors gleichzeitig den einen Schalttransistor in den leitenden Zustand und
den anderen in den Sperrzustand zu steuern. In diesem Fall wird dann ebenfalls ein
schnelles Schalten der Ausgangstransistoren erreicht.
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Bei dem dargestellten Äusführungsbeispiel sind zwei gleichartige Transistoren
in Reihenschaltung verwendet. Dies ist aus praktischen Gründen besonders zweckmäßig,
da in diesem Fall die Stromverhältnisse besonders gut beherrscht werden können.
Mit Rücksicht auf die Polarität der Steuerspannung für diese beiden Transistoren
müssen zwei galvanisch getrennte Steuerspannungen erzeugt werden. Dies geschieht
gemäß dem Ausführungsbeispiel mit Hilfe von zwei getrennten Ausgangswicklungen,
die beide als Sekundärwicklungen zu der über den Eingang 3 geführten Primärwicklung
angeordnet sind. Zur Erzeugung der Gegenspannung sind die beiden Gleichrichter
G3 und G4 vorgesehen, über die immer dann, wenn über die Gleichrichter Gl
bzw. G2 einer der Schalttransistoren in den leitenden Zustand gesteuert wird,
eine Sperrspannung für den anderen Transistor abgenommen werden kann.