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Einrichtung zur Erzielung eines zeitlich verzögerten Schaltvorganges
Elektrische Steuer- und Schutzeinrichtungen müssen häufig mit einer Zeitverzögerung
arbeiten, die entweder von bestimmter Dauer oder von einer Zeit abhängig ist, die
sich umgekehrt proportional mit der an die Einrichtung angelegten Spannung ändert.
So wird z. B. bei überspannungsschutzrelais schnelles Ansprechen bei hohen Überspannungen,
jedoch weniger schnelles bei geringen Überspannungen gefordert, damit eine unerwünschte
Betätigung des Relais bei Überspannungen, die durch Schaltvorgänge hervorgerufen
werden, vermieden wird. Um dies zu erreichen, hat man verschiedene Relais mit Dämpfungseinrichtungen
versehen. Auch mit dem Induktionsrelais, das eine Scheibe besitzt, die mit einer
der angelegten Spannung proportionalen Umdrehungsgeschwindigkeit rotiert und Kontakte
betätigt, bekommt man Auslösungen mit fallender Zeit-Spannungs-Charakteristik. Bei
beiden Relaistypen erhält man die gewünschte proportionale Abhängigkeit von Zeit
und Spannung unter Verwendung von mechanisch bewegten Teilen. Diese sind jedoch
auf vielen Anwendungsgebieten von Nachteil, wie z. B. bei überspannungsrelais in
Anlagen für Luftfahrzeuge, wo das Relais Stoß- und Beschleunigungskräften sowie
dem Höhenwechsel und großen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Ein Relais mit
mechanisch bewegten Teilen ist groß und schwer oder hat einen komplizierten Aufbau.
Es ist für Luftfahrzeuge wegen seiner Größe und dem Gewicht nicht geeignet und hat
auch nicht die erforderliche Betriebssicherheit.
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Zur Steuerung einer mechanischen Schaltvorrichtung in der Schwingungstechnik
sind auch schon Zeitkreise mit Kondensator, in deren Entladekreis ein Transistor
angeordnet ist, bekanntgeworden. Hierbei wird die Erzeugung von Kippschwingungen
mit Hilfe eines oder mehrerer Transistoren ausgenutzt oder die Auf- und Entladung
eines Kondensators mittels Transistoren zur Steuerung einer mechanischen Schaltvorrichtung,
z. B. eines Relais, verwendet.
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Die Erfindung befaßt sich mit einer Einrichtung zur Erzielung eines
zeitlich verzögerten Schaltvorganges bei Überschreitung einer bestimmten Spannungshöhe
einer Gleichstromquelle in Abhängigkeit von der Höhe und/oder Dauer der Spannungsüberschreitung,
wobei die Spannung gegebenenfalls von einer anderen, sich ändernden elektrischen
Größe abgeleitet ist, unter Verwendung eines Zeitkreises mit einem von dieser Spannung
über einen Ladewiderstand aufladbaren Kondensator, dessen Ladezustand ein eine Schaltvorrichtung
betätigendes steuexbares Halbleiterventil, insbesondere einen Transistor, beeinflußt.
Gemäß der Erfindung erfolgt die Ladung des Kondensators über eine in Sperrichtung
eingeschaltete Zenerdiode, insbesondere Siliziumdiode, wobei dem Kondensator ein
Entladekreis aus einem Widerstand und einem Gleichrichter parallel geschaltet ist,
der parallel zu dem Ladewiderstand liegt. Die Verwendung von Zenerdioden als spannungsabhängiges
Schaltglied ist bekannt. Da Zenerdioden immer einen kleinen Sperrstrom führen, wenn
sie unter Spannung stehen, sind sie bisher jedoch nur in Schaltvorrichtungen ohne
elektrisches Speicherglied verwendet worden.
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Der Ansprechpunkt einer Zenerdiode ist sehr scharf ausgeprägt und
weitgehend unabhängig von der Temperatur. Die im wesentlichen aus der Zenerdiode,
dem Ladewiderstand und dem Ladekondensator mit seinem Entladekreis bestehende Einrichtung
nach der Erfindung arbeitet daher über einen großen Temperaturbereich sehr genau,
weil der Kondensator nur dann aufgeladen werden kann, wenn die Durchbruchspannung
(Zenerspannung) der Zenerdiode überschritten und dabei der Entladekreis für den
Kondensator gesperrt wird; der geringe Sperrstrom der Zenerdiode, der immer dann
fließt, wenn die Durchbruchspannung der Zenerdiode noch nicht erreicht ist, d. h.
überschritten wird, kann dagegen den Kondensator wegen des über den Entladekreis
führenden Nebenschlußweges nicht aufladen. Zur Sperrung des Entladekreises ist es
nur nötig, den in diesem vorgesehenen Gleichrichter so zu schalten,
daß
er vom Entladeström des Kondensators, bzw. dem Sperrstrom der Zenerdiode in Durchlaßrichtung
durchflossen wird. Da dieser Gleichrichter außerdem parallel zum Ladewiderstand
geschaltet ist, wird er, sobald die Durchbruchspannung der Zenerdiode überschritten
wird, -in Sperrichtung vorgespannt und verhindert einen Abfluß der Kondensatorladungüber
diesen Nebenschlußweg. Durch die Verwendung eines die Schaltvorrichtung betätigenden
Transistors in Verbindung mit dem Zeitkreis führt die Schaltvorrichtung, z. B. ein
Relais, bis gegen Ende der Verzögerungszeit keinen Strom.
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Vorteilhaft ist parallel zu dem, die Zenerdiode, den Ladewiderstand
und den Kondensator enthaltenden Ladekreis eine in Sperrrichtung geschaltete Halbleiterdiode
angeordnet, deren Durchbruchspannung über, vorzugsweise nur wenig über, der Durchbruchspannung
der Zenerdiode im Kondensatorladekreis liegt. Auf diese Weise wird der Schaltvorgang
von der Höhe der an die Einrichtung angelegten Spannung unabhängig und ist nurmehr
von der Dauer der angelegten Spannung abhängig.
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In der Zeichnung sind Ausführungbeispiele der Erfindung veranschaulicht.
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Fig. 1 zeigt in einem schematischen Schaltbild eine Ausführungsart
der Erfindung; Fig. 2 zeigt eine ähnliche Schaltung für ein überspannungsschutzrelais;
das Diagramm der Fig. 3 dient zur näheren Erläuterung der Wirkungsweise der Fig.
2.
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Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur Erzielung eines zeitlich verzögerten
Schaltvorganges, die von einer Gleichspannungsquelle über die Zuleitungen 1 und
2 gespeist ist. Die Leitungen 1 und 2 können direkt an eine Gleichspannung angeschlossen
werden, auf welche die Anordnung ansprechen soll, oder sie können über Gleichrichter
von einem Wechselstromnetz gespeist werden. Die Einrichtung ist vorteilhaft über
einen Widerstand 3 an die Speisespannung angeschlossen und enthält einen Kondensator
4, der in Serie mit einem einstellbaren Ladewiderstand 5 und einer Zenerdode 6,
vorzugsweise einer Siliziumd'iode, an Spannung liegt. Die Diode 6 ist in Sperrichtung
angeschlossen, so daß unter normalen Bedingungen nur ein sehr kleinerSperrstrom
zumKondensatorfließen kann.
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Zenerdioden, wie z. B. Siliziumdioden, haben eine geknickte Kennlinie
mit einem ausgeprägten Durchschlagsspannungswert, der auch Zenerspannung genannt
wird. Legt man eine solche Diode in Sperrichtung an eine ansteigende Spannung, so
fließt zunächst nur ein sehr kleiner Sperrstrom, bis die Spannung auf den Durchschlagswert
angestiegen ist. Dann jedoch steigt der Strom plötzlich auf einen Wert, der im wesentlichen
nur durch den Widerstand des Stromkreises begrenzt ist, während die Spannung an
der Diode weitgehend konstant bleibt. Fällt die Spannung unter die Zenerspannung
zurück, so erhält die Diode ihre Gleichrichtereigenschaften wieder und reduziert
den Strom auf den sehr kleinen Wert des Sperrstromes. Die Einrichtung nach der Erfindung
nützt diese Eigenschaft der Zenerdioden aus, indem die Diode 6 als ein auf Spannung
ansprechendes Glied eingesetzt wird, das die Speisespannung zum Kondensator 4 im
wesentlichen sperrt, wenn die Spannung unter einem vorgesehenen Werft ist und leitet,
wenn dieser Wert überschritten wird.
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Der Zeitkreis nach Fig. 1 betätigt eine mit ihm verbundene Schaltvorrichtung
7, z. B. ein Relais, das eine Arbeitswicklung 8 und Kontakte 9 besitzt, die in beliebiger
Art angeordnet sein können. Das Relais wird in Abhängigkeit von der Ladespannung
des Kondensators 4 betätigt, wenn dieser durch die überspanrung auf einen bestimmten
Wert aufgeladen wurde. Der Entladekreis enthält Halbleiterverstärker oder - wie
in Fig. 1 gezeigt - einen Transistor 10. Der Kondensator 4 ist hierbei mit der Basis
11 des Transistors über einen Widerstand 12 verbunden, während der Emitter 13 an
den anderen Anschluß des Kondensators 4 geführt ist und somit den Entladekreis vervollständigt.
Der Kollektor 14 ist mit dem einen Ende der Arbeitswicklung 8 des Relais verbunden,
deren anderes Ende zur Leitung 1. führt.
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Für den Kondensator ist ein zweiter Entladekreis vorgesehen, der aus
einem Widerstand 15 und einer Diode 16 in Durchlaßrichtung gebildet ist. Wie man
in Fig. 1 sieht, liegen Widerstand und Diode in Serie parallel zum Kondensator.
Die Verbindungsleitung 17 zwischen den Dioden 6 und 16 dient dazu, die Diode 16
unter bestimmten noch zu erläuternden Bedingungen an Vorspannung zu legen. Fig.
1 zeigt eine Einrichtung mit konstanter, von der Höhe der Spannungsüberschreitung
unabhängiger Zeitverzögerung, weshalb noch eine Halbleiterdiode 18 an die Leitungen
1 und 2 in Sperrichtung geschaltet ist. Die Diode 18 hat eine Durchschlagsspannung,
die etwas höher ist als die der Diode 6.
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Wenn im Betriebszustand die speisende Spannung unterhalb der Durchschlagsspannung
der Diode 6 liegt, so arbeitet die Einrichtung nicht und es fließt auch kein merklicher
Strom in irgendeinem Teil des Kreises. Der extrem kleine Sperrstrom über die Diode
6 lädt den Kondensator 4 nicht merklich auf, weil jede Aufladung unmittelbar abgeleitet
wird über den Entladekreis, der sich aus dem Widerstand 15 und der Diode 16 zusammensetzt.
Wenn nun die Speisespannung der Einrichtung über die Durchschlagsspannung der Diode
6 ansteigt, verliert diese ihre Sperreigenschaft, wobei gleichzeitig ihr Widerstand
auf einen sehr geringen Wert sinkt und Strom zum Kondensator 4 fließt. Die Aufladezeit
ist durch die Einstellung des Widerstandes 5 festgelegt. Der Entladestromkreis mit
dem Widerstand 15 und der Diode 16 kann den Kondensator 4 zu dieser Zeit nicht entladen,
da die Diode 16 durch den Leiter 17 in Sperrichtung an eine Spannung gelegt wird,
die höher ist als die des Kondensators. Wenn also der Kondensator sich aufzuladen
beginnt, steigt seine Spannung an und der Entladestrom fließt über den Widerstand
12 zur Basis 11 des Transistors 10, wobei seine Höhe durch den Widerstand 12 begrenzt
werden kann. Sobald ein Basisstrom zum Transistor zu fließen beginnt, kommt auch
ein Stromfluß zwischen dem Kollektor 14 und dem Emitter 13 zustande. Die Höhe des
Kollektorstromes ist natürlich abhängig vom Basisstrom, und so wie der Kondensator
4 sich weiter auflädt und seine Spannung vergrößert, nimmt auch der Basisstrom,
und davon abhängig der Kollektorstrom, zu. Die Relaisspule 8 wird vom Kollektorstrom
des Transistors erregt, und wenn dieser den erforderlichen Wert erreicht hat, spricht
das Relais an und betätigt die Kontakte 9. Somit wird der Entladestrom des Kondensators
4 zur Betätigung des Relais 7 durch den Transistor verstärkt. Die Diode 18 hat,
wie schon früher angedeutet, eine Durchschlagsspannung, die ein wenig höher als
die der Diode 6 ist, und sie wird unmittelbar nach der Diode 6 in Sperrichtung leitend.
Dadurch
wird eine Begrenzung der an den Zeitverzögerungskreis angelegten Spannung auf einen
weitgehend konstanten Wert erreicht, wobei der Spannungsbetrag über der Durchschlagsspannung
der Diode 18 vom Widerstand 3 aufgenommen wird.
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Die Zeitverzögerung der beschriebenen Einrichtung hängt von der Aufladegeschwindigkeit
des Kondensators 4 ab, also von einer Zeit, die notwendig ist, um die Kondensatorspannung,
die den zur Relaisbetätigung erforderlichen Kollektorstrom erzeugt, auf einen bestimmten
Wert zu bringen. Wie aus der Schaltungsanordnung hervorgeht, ist die Aufladegeschwindigkeit
des Kondensators nur von der Größe des Widerstandes 5 abhängig, da die Speisespannung
konstant gehalten ist und man daher eine konstante, von Spannungsüberschreitungen
unabhängige Zeitverzögerung erhält, die durch Veränderung des Widerstandes 5 über
einen weiten Bereich kontinuierlich einstellbar ist. Der Festwiderstand 12 begrenzt
den Entladestrom des Kondensators und bestimmt damit die Höhe der Kandensatorspannung,
die erforderlich ist, um einen Basisstrom zu erzeugen, der zwangläufig wiederum
den notwendigen Kollektorstrom zur Folge hat. Durch vorherige Auswahl des Widerstandes
12 kann deshalb der Kreis für jede gewünschte Höhe der Zeitverzögerung ausgelegt
werden.
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Es ist ersichtlich, daß durch die Erfindung eine Einrichtung mit zeitverzögerter
Auslösung geschaffen wurde, die hohe Betriebssicherheit und kleine Abmessungen aufweist.
Die Einrichtung hat viele vorteilhafte Eigenschaften. Wenn nämlich die angelegte
Spannung unter die Durchschlagsspannung der Diode 6 fällt, bevor die Dauer der Zeitverzögerung
abgelaufen ist, sperrt die Diode 6 den Strom zum Kondensator 4 und dieser entlädt
sich unmittelbar über den Entladekreis 15, 16, so daß keine merkliche Ladung am
Kondensator verbleibt, und der Kreis ohne Auswirkung auf die Zeitverzögerung sofort
wieder ansprechbereit ist. Nach Ausführung eines Schaltvorganges wird nämlich jede
Ladung, die am Kondensator 4 verbleibt, unmittelbar abgeführt, womit die Einrichtung
wieder betriebsbereit ist. Wenn eine umgekehrtproportionale Abhängigkeit von Zeit
und Spannung benötigt wird, an Stelle einer konstanten Zeitabhängigkeit, so braucht
man nur die Diode 18 wegzulassen. Dadurch ist die Aufladegeschwindigkeit des Kondensators
durch die angelegte Spannung und durch die Einstellung des Widerstandes 5 bestimmt
und mit wachsender Spannung lädt sich somit der Kondensator entsprechend schneller
auf, so daß die Zeitverzögerung damit verringert wird. Ein Ansteigen der Spanmmg
bedingt auch ein Anwachsen des Kollektorstromes bei gegebenem Basisstrom, wodurch
das Relais noch um einen geringen Betragfrüher anspricht.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung an . einer überspannungsschutzeinrichtung
für ein Dreiphasenwechselstromnetz 20. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird
der Zeitverzögerungskreis vom Dreiphasennetz 20 über einen Vollweg-Gleichrichter
21 gespeist, so daß der Kreis auf den Mittelwert der Dreiphasenspannungen anspricht.
Die so erhaltene Gleichspannung wird an die Zeitverzögerungsein:richtung 22 über
einen Widerstand 23 und einen einstellbaren Spannungsteiler 24 geführt. Der Spannungsteiler
24 hat einen verstellbaren Abgriff, um die Einrichtung an die gegebene Spannung
anpassen zu können. Die Zeitverzögerungseinrichtung 22, selbst arbeitet mit fallender
Zeit-Spannungs-Abhängigkeit, ist jedoch im großen und ganzen ähnlich der Darstellung
in Fig. 1. und enthält den Kondensator 4, der an die Speisespannung über den einstellbaren
Widerstand 5 und die Zenerdiode 6 in Reihe geschaltet ist, wobei die Zenerdiode,
wie man sehen kann, in Sperrichtung liegt. Der Entladekreis für den Kondensator
4 besteht aus dem Widerstand 15 und der Diode 16, die durch die Leitung 17 mit der
Diode 6 verbunden ist, um die Diode 16 während des Betriebes, wie schon beschrieben,
an Spannung zu legen. Dieser Entladekreis hat eine kleine Zeitkonstante. Der Kondensator
4 ist noch mit einem anderen Entladekreis verbunden, der eine weitere Zenerdiode
31 in Sperrichtung und Halbleiterverstärkungsmittel enthält, die hier von einem
Zweistufentransistorverstärker mit den zwei Transistoren 32 und 33 gebildet sind.
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Das von diesem Kreis betätigte Relais 34 kann irgendein dafür geeignetes
Relais sein, das eine Be-: tätigungsspule 35 und Kontakte 36 besitzt. Die Speisespannung
für das Relais 34 und den Zweistüfenverstärker wird aus dem Wechselstromnetz 20
mit Hilfe eines Transformators 37 gewonnen, dessen Primärwicklung 38 einphasig an
das Netz 20 angeschlossen ist. An die Sekundärwicklung 39 ist ein Einweggleichrichter
40 angeschlossen, wobei ein Kondensator 41 parallel dazu ein Vibrieren des Relais
verhindert.
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Die Basis 42 des Transistors 32 ist mit dem Kondensator 4 über die
Diode 31 verbunden. Der Emitter 43 ist an die Basis 45 des zweiten Transistors 33,
der Kollektor 44 über den Gleichrichter 40 an die Sekundärwicklung 39 des Transformators
37 angeschlossen. Der Emitter 46 ist an den Kondensator 25 und an das andere Ende
der Transformatorsekundärwicklung gelegt, während der Kollektor 47 des Transistors
33 an der Relaisspule 35 liegt, deren anderes Ende mit dem Gleichrichter 40 verbunden
ist.
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Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist ähnlich der vorhin beschriebenen.
Der Spannungsteiler 24 legt also eine Spannung an die Zenerdiode 6, die über deren
Durchschlagsspannung liegt, wenn die Netzspannung den Sollwert überschreitet, so
daß über den Widerstand 5 zum Kondensator 4 Strom fließt und diesen auflädt. Die
Diode 16 wird dadurch in Sperrrichtung. an Spannung gelegt, so daß sich der Kondensator
nicht über den Entladekreis 28, 29 entladen kann, und die Kondensatorspannung auf
einen Wert anwächst, der durch die Größe der angelegten Spannung bestimmt ist, bis
sie die Durchschlagsspannung der Zenerdiode 31 erreicht. Nun schlägt die Diode 31
durch und der Kondensator kann sich über die Basis 42 entladen. Der Entladestrom
wird durch den zweistufigen Transistorverstärker verstärkt und dessen Ausgangsstrom,
also der Kollektorstrom des Transistors 33, fließt nun durch die, Relaisspule 35
und betätigt das Relais 34, wenn der hierfür notwendige Strom erreicht ist.
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Die Wirkungsweise des Kreises nach Fig. 2 wird an Hand des Schaubildes
der Fig. 3 noch näher erläutert. Im Diagramm sind die Spannungen in Abhängigkeit
von der Zeit aufgetragen und die Linie V, stellt den Verlauf der an die Zeitverzögerungseinrichtung
22 angelegten Spannung dar. Diese Spannung ist auf ihrem Nullwert oder einem Wert
unterhalb der Durchschlagsspannung der Diode 6 bis zum Punkt A, von dem ab die Spannung
V1 auf einen Wert anwächst, der größer ist als die Durchschlagsspannung der Diode
6. Dann beginnt sich der Kondensator 25 aufzuladen,
wobei die Kondensatorspannungexponentiell
anwächst, wie die Kurve VC dies zeigt. Ist die Kondensatorspannung bis auf die Durchschlagsspannung
der Diode 31 im Punkt B angewachsen, so beginnt Strom vom Kondensator 25 zur Basis
des Transistors 32 zu fließen: Die Basisspannung der Transistoren 32 und 33 wächst
nach der Kurve Vs, und der Schwellwert der Transistoren 32 und 33 wird im Punkt
C erreicht, an dem der Kollektorstromfluß vom Transformator zum Kollektor 44 und
Emitter 43, ferner über die Basis 45 und Emitter 46 des Transistors 33 zurück zum
Transformator, einsetzt. Zu diesem Zeitpunkt beginnt auch der Kollektorstrom über
den Transformator, den Emitter 46, Kollektor 47 und Relaisspule 35 zu fließen. Die
Spannung an der Relaisspule steigt nach Kurve VR, bis die Betriebsspannung des Relais
im Zeitpunkt D erreicht ist und seine Kontakte schließt. Ähnlich wie nach Fig. 1
wird also der Kondensator-Entladestrom verstärkt und zur Betätigung eines Relais
herangezogen.
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Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß sich die gesamte Zeitverzögerung aus
der Summe der Zeitverzögerungen von Punkt A bis D zusammensetzt, wobei
die Zeit, die zum Laden des Kondensators notwendig ist, den größeren Teil ausmacht.
Die Aufladezeit des Kondensators ist, wie bereits angegeben, durch die angelegte
Spannung und die Einstellung des Widerstandes 5 bestimmt, so daß man eine fallende
Zeit-Spannungs-Charakteristik erhält, wobei die Verzögerung über einen weiten Bereich
durch Verstellung des Widerstandes 5 kontinuierlich eingestellt werden kann. Die
Kurven in Fig. 3 lassen noch einen anderen wichtigen Vorteil erkennen. Da die Relaisspule
nur während einer sehr kleinen Dauer der gesamten Zeitverzögerungsperiode erregt
ist, besteht nämlich keine Gefahr, daß das Relais vorzeitig infolge eines Stoßes
im teilweise erregten Zustand betätigt wird.
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Man sieht, daß durch die Erfindung eine Einrichtung zur zeitverzögerten
Auslösung geschaffen wurde, die viele Vorteile besitzt. In beiden Ausführungsbeispielen
wurde gezeigt, daß nur Teile kleiner Größe und hoher Betriebssicherheit verwendet
wurden, so daß man eine unempfindliche Einrichtung erhält, die keinem Verschleiß
unterworfen ist und von äußeren Einwirkungen oder mechanischen Stößen und Schwingungen
kaum beeinflußt wird. Daher eignet sieh die Einrichtung gut für die Verwendung in
Luftfahrzeugen und ähnliche Anwendungsgebiete, wo kleine Abrnessungen und hohe Zuverlässigkeit
wesentlich sind. In Verbindung mit dieser Einrichtung kann man ein unempfindliches
und kleines Gleichstromrelais verwenden oder dieses durch einen ruhenden Kipp-Kreis
geeigneter Art ersetzen, womit sich eine vollkommen ruhende Steuervorrichtung ergibt.
Die Einrichtung ist über einen weiten Bereich kontinuierlich einstellbar, um jede
gewünschte Zeitverzögerung erzielen zu können, und kann leicht einer bestimmten
Zeitverzögerungs- oder einer fallenden Zeit-Spannungs-Charakteristik angepaßt werden.
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Es ist nahefiegend, daß verschiedene Abänderungen innerhalb des Erfindungsgedankens
möglich sind. Daher kann die Einrichtung auch zur Betätigung verschiedener Steuerkreise
Verwendung finden und ist nicht auf das beschriebene besondere Anwendungsgebiet
begrenzt. Der Widerstand 5 kann gegen einen nichtlinearen Widerstand vertauscht
werden, um geforderte Zeit-Spannungs-Charakteristiken zu erhalten. Selengleichrichter
oder eine in Serie geschaltete Gruppe davon sind hierfür besonders geeignet. Auch
die in den Einrichtungen beschriebenen Transistoren vom n-p-n Typ können durch Transistoren
vom Typ p-n-p bei entsprechender Polurig ersetzt werden.