DE1133454B

DE1133454B - Polarisierter elektronischer Schalter

Info

Publication number: DE1133454B
Application number: DER24012A
Authority: DE
Inventors: Keith Gordon Huntley
Original assignee: Rank Precision Industries Ltd
Current assignee: Rank Precision Industries Ltd
Priority date: 1958-09-10
Filing date: 1958-09-10
Publication date: 1962-07-19
Also published as: FR1203288A

Description

Polarisierter elektronischer Schalter Die Erfindung bezieht sich auf einen polarisierten elektronischen Schalter zur Regelung oder Steuerung, insbesondere für einen Dreipunktregler, der im Ruhezustand bleibt und eine vorgegebene Grundausgangsgröße liefert, wenn die ihm zugeführte Eingangsgröße innerhalb von zwei einstellbaren, die Totzone des Schalters definierenden Grenzen liegt, der in den Einschaltzustand übergeht und eine bezüglich der Grundausgangsgröße positive oder negative Ausgangsgröße liefert, je nachdem, ob die eine oder die andere der beiden Grenzen überschritten wurde, und der in den Ruhezustand zurückfällt, wenn die Eingangsgröße in die beiden Grenzen zurückgekehrt ist.
Elektronische Schalter dieser Art sind bekannt. Bei diesen bekannten Schaltern ist die Ausschaltgrenze nicht einzustellen. Vielmehr erfolgt das Ausschalten an einem vorgegebenen Punkt innerhalb einer vorgegebenen Totgrenze.
Bei anderen bekannten Schaltern der genannten Art ist die Breite der Totzone einstellbar. Wiederum sind aber keine Möglichkeiten zur Einstellung der Ausschaltgrenze vorgesehen. Im Prinzip könnte man wohl den Ausschaltpunkt einstellen, jedoch nur durch Änderung der Grenzen der Totzone.
Der erfindungsgemäße elektronische Schalter eingangs genannter Art ist demgegenüber dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschaltgrenzen unabhängig von den Einschaltgrenzen einstellbar sind.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Berücksichtigung der Figuren.
Fig. 1. zeigt ein an sich bekanntes Schema einer Relais-Regelvorrichtung; Fig.2 zeigt die Schaltcharakteristik bekannter elektronischer Schalter; Fig. 3 zeigt die Schaltcharakteristik eines erfindungsgemäßen elektronischen Schalters; Fig.4 zeigt die Prinzipschaltung eines nicht zur Erfindung gehörigen Schalters, der eine Charakteristik nach Fig. 2 aufweist; Fig. 5 zeigt die Prinzipschaltung eines erfindungsgemäßen Schalters, der die Charakteristik nach Fig. 3 aufweist; Fig. 6 und 7 zeigen Schaltbilder eines erfindungsgemäßen Schalters.
Die Relais-Regelvorrichtung nach Fig. 1 besteht aus einem Regelverstärker und einer Relaissteuerstufe, die entweder ein einfaches Relais enthält oder aber mit einem Magnetverstärker oder mit Gasentladungsröhren aufgebaut ist. Bei Verwendung eines einfachen Relais sind die Ströme zum Ein- und Ausschalten des Regelvorganges verschieden; im allgemeinen ist ein höherer Strom zum Ansprechen als zum Abfall des Relais erforderlich. Die Betriebssicherheit eines solchen einfachen Relais ist für industrielle Betriebe, in welchen das Relais viele Male an einem Tag betätigt werden kann, ungenügend. Es ist in diesen Fällen ein Magnetverstärker oder eine Gasentladungsröhre vorzuziehen, wobei dann eine Relaissteuerung mit einer Schaltungscharakteristik gemäß Fig.2 erforderlich ist. Die Charakteristik nach dieser Figur weist einen Bereich der Eingangsgröße auf, innerhalb dessen die Ausgangsgröße der Relaissteuerstufe Null ist, so daß in der Regelcharakteristik eine »tote Zone« entsteht, welche dazu dient, den erforderlichen Grad an Stabilität aufrechtzuerhalten.
Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß dann, wenn ein Relais-Regler zur kontinuierlichen Regelung eines Verfahrens Verwendung findet, die Regelgröße um oder in der Nähe der Grenze der toten Zone pendelt, entsprechend der allgemeinen Richtung der zu korrigierenden Änderungen. Es ist hervorzuheben, daß beim Regeln einer Maschine oder eines Verfahrensvorganges das Ansprechen des Reglers bei stetigen Zustandsänderungen wichtiger ist als das Ansprechen bei vorübergehenden Änderungen, da es Hauptziel ist, langsame Abweichungen in dem Verfahrensvorgang oder in der Maschineneinstellung zu korrigieren.
Eine solche Regelung wird mit einem Schalter, der eine in Fig. 3 dargestellte Charakteristik aufweist, erreicht. Angenommen, das Relais eines Reglers habe einen Elektromotor oder einen elektrischen Antrieb zu steuern: dann wird bei Verwendung des erfindungsgemäßen Schalters der Motor bei einem Punkt A (Fig. 3) eingeschaltet, um eine Regelabweichung zu korrigieren, die sich in einer Maschine oder in einem Verfahren eingestellt hat; er wird aber nicht ausgeschaltet, bis sich diese Regelabweichung auf den Punkt B verringert hat, wobei durch die erfindungsgemäß einstellbare Charakteristik der Punkt B über einen weiten Bereich eingestellt werden und beispielsweise bei B' liegen kann. Die in Fig. 3 dargestellte Relais-Charakteristik ist bezüglich der positiven und negativen Regelabweichungen symmetrisch und führt zu einer negativen Ausgangsgröße für negative Regelabweichungen, wobei sich die Punkte C und A einerseits und die Punkte D und B andererseits entsprechen.
Fig. 4 zeigt schematisch einen noch nicht zur Erfindung gehörigen elektronischen Schalter mit einem Stromkreis zur Verwirklichung der Charakteristik nach Fig. 2, jedoch mit dem Unterschied, daß eine Phasenumkehrstufe 2 vorgesehen ist (entsprechend einer Seitenverkehrung von Fig. 2). In Fig. 4 ist ein Verstärker 1 dargestellt, der eine Rückkopplung mit einer den Stromfluß begrenzenden Diodenbrücke aufweist. überwiegt der über einen Eingangswiderstand R 1 zugeführte Gleichstrom den Gleichstrom i 1 in der Brücke, so wird der Strom durch die Dioden D 1 und D 4 gesperrt und da mit dem Rückkopplungsweg unterbrochen. In ähnlicher Weise verhält sich der Stromkreis bei einer negativen Eingangsgröße, wenn dann die Dioden D 2 und D 3 den Strom sperren.
Fig.5 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung; bei dem im Vergleich zur Schaltung nach Fig. 4 zusätzlich eine positive Rückkopplung über eine Phasenumkehrstufe 3 und einen Rückkopplungswiderstand R 2 vorgesehen ist. Wird bei dieser Schaltung beispielsweise Punkt A oder Punkt C gemäß Fig.3 erreicht, dann sperrt der Diodenbrückenkreis D 1 bis D 4 einschließlich, und es tritt dank der positiven Rückkopplung über R 2 eine Anfächung des Verstärkers bis zu seiner Begrenzung ein. Der Schalter bleibt nunmehr in diesem Zustand, bis der Eingangsstrom über R 1 hinreichend verringert ist, um den Gegenstrom durch R 2 zu überwiegen; durch geeignete Einstellung von R 2 kann die Stellung des Punktes B oder des Punktes D in Fig. 3 ausgewählt werden.
Fig.6 zeigt ein Schaltbild für eine bevorzugte Schaltung gemäß der schematischen Darstellung nach Fig. 5. In der Schaltung sind Transistoren verwendet; es können aber auch Röhren an Stelle von Transistoren verwendet werden, wie beispielsweise Fig. 7 zeigt.
Der Eingang bei I in Fig. 6 entspricht dem Eingang in Fig. 5. Die Schaltung enthält fünf Transistoren Q 1, Q 2, Q 3, Q 4 und Q 5. Transistor Q 1 ist in Emitterschaltung und dient dazu, die Impedanz zu verringern; Q 2 ist als Phasenumkehrstufe geschaltet. Die Transistoren Q 3 und Q 4 bilden eine positive Rückkopplung vom Ausgang der Schaltung zum Eingang von Q 2. Transistor Q 5 ist in Emitterschaltung und bildet die Ausgangsstufe der Schaltung.
Der Kollektor des Transistors Q 2 ist über eine Diode D 5 (eine Zener-Diode) mit der Basis des Transistors Q 5 verbunden. Die Diode dient als Gleichstromkopplung, um die Spannung an Q 5 auf die Höhe der Eingangsspannung zurückzubringen. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß die Betriebsweise des Transistors Q 2 eine Betriebsleistung erfordert, die höher ist, als es der eingangsseitigen Steuergröße normalerweise entsprechen würde.
Die Betriebsbedingungen des Transistors Q 2 sind so, daß sowohl seine positive als auch seine negative Ausgangsgröße begrenzt sind. Dies ist notwendig, um in Verbindung mit R V 2 die Charakteristik von Fig. 3 zu gewinnen.
Die Transistoren Q 1 und Q 2, die Diode D 5 und der Transistor Q 5 bilden den Verstärker, der dem Verstärker 1 in den Fig. 4 und 5 entspricht.
Der erwähnte Widerstand R V 2 entspricht dem Widerstand R 2 in Fig. 5. Mit ihm ist die Charakteristik in dem Bereich B' bis D' gemäß Fig. 3 zu verändern.
Ein weiterer Widerstand R V 1 stellt die konstante Ausgangsgröße Null in der toten Zone sicher. Die Brücke B mit den Dioden D 1, D 2, D 3 D 4 entspricht den in den Fig. 4 und 5 dargestellten Brücken.
Fig. 7 zeigt eine Schaltung, in welcher an Stelle von Transistoren Röhren verwendet sind. In diesen Figuren sind die gleichen Bezugsziffern benutzt wie in Fig. 6; die mit gleichen Bezugsziffern versehenen Elemente haben dieselben Funktionen wie in Fig. 6. VI (a) ersetzt Q 1 und Q 2; VI (b) ersetzt Q 3 und Q 4, während D 5 der Fig. 6 hier nicht benötigt ist. Gemäß Fig. 7 übernehmen die Dioden D 7 und D 8 die Begrenzung der Ausgangsgröße. Im übrigen arbeitet die Schaltung der Fig. 7 in gleicher Weise wie die der Fig. 6.
Der erfindungsgemäße Schalter wird mit Vorteil in Regelstrecken für industrielle Verfahren und Maschinen verwendet, z. B. zur Überwachung und Regelung des Abstandes und des Betriebs der Walzen in Walzwerken und zur Steuerung von Verfahrensabläufen, z. B. bei der Mischung von flüssigen Produkten verschiedener Art. Besonders eignet sich der erfindungsgemäße Schalter in Einrichtungen zur Regelung oder Steuerung kontinuierlicher Arbeitsprozesse, bei welchen bestimmte Größen zwischen oberen und unteren Grenzen gehalten werden müssen:

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Polarisierter elektronischer Schalter zur Regelung oder Steuerung, insbesondere für einen Dreipunktregler, der im Ruhezustand bleibt und eine vorgegebene Grundausgangsgröße liefert, wenn die ihm zugeführte Eingangsgröße innerhalb von zwei einstellbaren, die Totzone des Schalters definierenden Grenzen liegt, der in den Einschaltzustand übergeht und eine bezüglich der Grundausgangsgröße positive oder negative Ausgangsgröße liefert, je nachdem, ob die eine oder andere der beiden Grenzen überschritten wurde, und der in den Ruhezustand zurückfällt, wenn die Eingangsgröße in die beiden Grenzen zurückgekehrt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschaltgrenzen (B, D) unabhängig von den Einschaltgrenzen (A, C) einstellbar sind.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltgrenzen (A, C) definiert sind durch einen Verstärker mit einer negativen Rückkopplung, die eine an sich bekannte Begrenzerdiodenbrücke (D 1, D 2, D 3; D 41 enthält und aufrechterhalten bleibt, bis die Eingangsgröße eine der Einschaltgrenzen (A, C) überschreitet, und die dann aussetzt und ausgesetzt bleibt, bis die Eingangsgröße eine der Ausschaltgrenzen (B, D) überschreitet.
3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine positive Rückkopplung einsetzt, wenn die negative Rückkopplung aussetzt.
4. Schalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Rückkopplung eine Vorspannung erzeugt, die von der Eingangsgröße überwunden werden muß, wenn sie eine der Ausschaltgrenzen (B, D) erreichen und der Schalter in den Ruhezustand zurückkehren soll.
5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung zur veränderbaren Einstellung der Ausschaltgrenzen (B, D) einstellbar ist.
6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein kathodengekoppeltes Glühkathodenröhrenpaar (VI a, VI b) bzw. ein emittergekoppeltes Transistorpaar (Q 1, Q2, Q 3, Q 4) enthält, die die Eingangsstufe des Schalters bilden, daß der Ausgang der ersten Röhre (VIa) bzw. des ersten Transistors (Q 2) des Paars an einer Kathodenverstärkerröhre (V2) bzw. einem Emitterverstärkertransistor (Q5) liegt, die eine Ausgangsstufe des Schalters bilden, und daß die Vorspannung von der Ausgangsstufe abgeleitet und an die zweite Röhre (VI b) bzw. den zweiten Transistor (Q4) des Paars :##er einen einstellbaren Widerstand (R V 2) gg?.egt ist.
7. Schalter nach einem der Torhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein schnelleres Ansprechen des Schalters durch eine positive Rückkopplung erreicht wird. B. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgrößen des Schalters bezüglich der Grundausgangsgrößen nach oben und unten begrenzt sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 915 366; USA.-Patentschriften Nr. 2 547 201, 2 725 519; deutsche Auslegeschrift B 27787 VIIIb/21 c (bekanntgemacht am 9. 5. 1956); Buch von Korn & Korn, »Electronic Analog Computers«, erschienen 1954 im Verlag McGraw-Hill Book Company, New York, S. 426 und 427; Zeitschrift »AIEE Transactions«, Jg. 1950, S. 551. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1040125.