DE1137482B - Bistabile Schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine bistabile Schaltungsanordnung, die durch Mitkopplungspfade miteinander verbundene elektronische Schaltelemente und in Reihe damit liegende Belastungselemente enthält, die einen sich ändernden Spannungsabfall ergeben. Im einen Zustand fließt der Strom durch das eine und im anderen Zustand durch das andere Element. Ein derartiger Schaltkreis findet beispielsweise Anwendung in Verbindung mit Kommutierungsschaltungen in GleichSitrommaschinen, wobei die geschalteten Elemente voneinander getrennte, jedoch nahe beieinander liegende Ankerspulen der Maschine darstellen können und der Schaltkreis im Takt des Durchlaufes dieser Ankerspulen unter den Feldpolen verschiedener Polarität zwischen den beiden Zuständen hin- und hergeschaltet wird. Die entsprechenden beiden Spulen werden im Schaltkreis so miteinander verbunden, daß durch die sich ändernden Polaritäten der Feldpole ein Stromdurchfluß in entgegengesetzten Richtungen stattfindet. Andere Anwendungsfälle einer derartigen Schaltung sind in zahlreicher Form möglich: Beispielsweise läßt sie sich für Grob-Fein-Schaltung in Verbindung mit einer Geschwindigkeitsmessung oder -steuerung verwenden, wobei die dem Stromkreis zugeführte Spannung z. B. von einem Tachometergenerator abgenommen wird; die Schaltung kann z. B. auch zur Durchführung einer Schaltfunktion in Verbindung mit einer Anzeige- oder Korrektureinrichtung für Fehler zu geringer Spannung in Stromerzeugeranlagen verwendet werden.

Bistabile Schaltkreise können — ganz allgemein — ein Paar elektronischer Schaltelemente enthalten. Jedes der beiden Elemente besitzt seine eigene Lastimpedanz. Außerdem sind die beiden Elemente durch einen Mitkopplungspfad verbunden, der das eine der beiden Elemente gesperrt hält, wenn das andere leitend ist oder gerade leitend wird. Spezielle Ausführungen solcher Schaltkreise werden später erwähnt. Es ist bereits bekannt, an verschiedenen Stellen eines bistabilen Schaltkreises Gleichrichter einzufügen, um verschiedene Zwecke zu erfüllen; so hat man beispielsweise in Serie mit der Lastimpedanz eines jeden der beiden Schaltelemente einen Gleichrichter eingefügt und einen Widerstand parallel zu der Serienschaltung von Lastimpedanz und Gleichrichter gelegt. Dadurch sollen unerwünschte Schaltwirkungen vermindert werden, die in einem Fall vom Einfluß der Ausgangsspannungsschwankung auf den Schaltvorgang herzurühren scheinen, im anderen Fall von der Induzierung einer Spannung in den Lastimpedanzen auf Grund einer Transformatorwirkung. Wie aus der folgenden Beschreibung ersichtlich wird, betrifft die

Bistabile Schaltungsanordnung

Anmelder:

Associated Electrical Industries Limited,
London

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 11. August 1959 (Nr. 27 446)

Peter John Grenville Hetzel,

Dunchurch, Rugby, Warwickshire (Großbritannien),

ist als Erfinder genannt worden

Erfindung ein anderes Problem und löst es auf eine andere Art, nämlich durch die Verwendung von Seriengleichrichtern ohne Parallelwiderstände.

In einer bekannten Ausführungsform eines bistabilen Schaltkreises, der zur Umschaltung von einem Element auf ein anderes Verwendung findet, sind die Elemente in Reihe mit den Hauptstrompfaden entsprechenden elektronischen Schaltelementen, ζ. Β.

Thyratrone, die durch ein einem Steuergitter zugeführtes Signal leitend gemacht werden, geschaltet, und eine Kapazität ist zwischen eine Stelle zwischen einem Schaltelement und seinem Belastungselement und eine Stelle zwischen dem anderen Schaltelement und dessen Belastungselement gelegt. Ist ein Entladungsrohr leitend und durchfließt ein Strom das in Reihe damit liegende Element, macht die Einspeisung eines Signals in das andere Rohr, das dann gerade keinen Strom durchläßt, dieses leitend, und der Kondensator nimmt Strom vom ersten Rohr ab, das dann erlischt und keinen Strom mehr durchläßt. Der Stromfluß wird deshalb auf diese Weise von dem einen Element auf das andere übertragen. Die Wirkungsweise hängt von dem Kondensator ab, der mit einer Polarität geladen wird, die das nichtleitende Entladungsrohr sperrt. Die Ladung am Kondensator muß zu diesem Zweck entsprechend groß sein, und die Kapazität des Kondensators ist deshalb mit Rücksicht auf die Spannung auszulegen, die an dem Kondensator im Schaltaugenblick herrscht und die vom Spannungsabfall an dem Element abhängt, das bereits vor dem Schalten stromdurchflossen ist.

209 65Ϊ/217

3 4

In bestimmten Anwendungsfällen, beispielsweise ren Stelle bereits über die beiden Belastungselemente

den obenerwähnten, ändert sich der Spannungsabfall und die stromführende Schaltvorrichtung kurz-

an den Elementen von Zeit zu Zeit, beispielsweise auf geschlossen ist, dies kann jedoch ebenfalls gemäß der

Grund einer Veränderung der in den Stromkreis ein- Erfindung vermieden werden, und zwar dadurch, daß gespeisten Spannung. Um dann eine Schaltwirkung 5 geeignete gepolte Gleichrichter zwischen die Be-

zu ermöglichen, wenn der Spannungsabfall verhältnis- lastungselemente und die entsprechenden Stellen

mäßig gering ist, wäre ein Kondensator von verhältnis- geschaltet werden.

mäßig großer Kapazität erforderlich. Somit wäre bei Gemäß der Erfindung ist die bistabile Schaltungs-

der Verwendung eines Schaltkreises zu Kommutie- anordnung, welche zwei durch Mitkopplungspfade

rungszwecken in einer Gleichstrommaschine die "> miteinander verbundene elektronische Schaltelemente

Schaltwirkung vorzugsweise zu einer Zeit zu begin- und in Reihe damit liegende Belastungselemente ent-

nen, wenn die elektromotorische Kraft in der entspre- hält, die einen sich ändernden Spannungsabfall

chenden Ankerspule sich dem Nullwert nähert, wobei ergeben, dadurch gekennzeichnet, daß Gleichrichter

dann die Spannung an der Spule einen verhältnis- zwischen die entsprechenden Belastungselemente und

mäßig niedrigen Wert aufweist, der durch den induk- *5 die Stellen gelegt sind, von denen die Mitkopplungs-

tiven und Ohmschen Spannungsabfall in der Spule pfade ausgehen, und daß die Gleichrichter derart

bestimmt wird: Somit wäre ein Kondensator von ver- gepolt sind, daß sie die Lastströme durchlassen,

hältnismäßig sehr großer Kapazität erforderlich. An Hand der Zeichnung sind in den Fig. 1 und 2

Um nun unter diesen Umständen eine kleine Kapa- Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert

zität verwenden zu können, wird gemäß der Erfindung ²⁰ und dargestellt.

vorgeschlagen, nur in einer Richtung stromleitende Die Verwendung eines bistabilen Schaltkreises für Einrichtungen (z. B. Gleichrichter) vorzusehen, die Kommutierungszwecke einer Gleichstrommaschine ist zwischen die entsprechenden Elemente und die Stel- in Fig. 1 dargestellt. Die schematisch dargestellte len, zwischen denen die Kapazität eingeschaltet wird, Gleichstrommaschine 1 weist Feldpole auf, die abgelegt werden. Die Polarität, mit der die Gleichrichter ^a5 wechselnd Nord- und Südpole N und S bilden, und verbunden sind, muß notwendigerweise so gewählt ein damit zusammenwirkender Anker besitzt eine werden, daß der Stromdurchfiuß durch eines der Be- Reihe von Ankerwicklungen, z. B. α und a', die paarlastungselemente nicht gesperrt wird, wenn die züge- weise angeordnet sind. Die Wicklungen eines jeden hörige Schaltvorrichtung leitend ist, daß der Konden- Paares liegen elektrisch nahe beieinander (z. B. sator geladen wird, wenn die Spannung am Element, 3° können die zusammengehörigen Leiter in gleichen für das der Stromdurchfluß herbeigeführt ist, hoch ist Ankernuten untergebracht sein), und der Stromdurch- und daß die Ladung gespeichert wird, bis sie für eine fiuß durch jedes Wicklungspaar, z. B. a-a', wird weitere Schaltung benötigt wird, unabhängig von einer durch eine bistabile Schaltanordnung S so gesteuert, möglichen zwischenzeitlichen Spannungsverringerung. daß der Stromdurchfluß zwischen den beiden Wick-

Eine weitere bekannte Ausführungsform von bista- ³⁵ lungen im Takt ihres Vorbeilaufens an den Feldpolen bilen Schaltkreisen mit Schaltvorrichtungen, z. B. geschaltet wird, wobei der Schaltvorgang gerade dann Transistoren, bei denen eine Steuerelektrode die stattfindet, wenn die Wicklungen zwischen den Polen Steuerung übernimmt, nachdem die Vorrichtung liegen. Jede Schaltbetätigung sperrt den Stromdurchstromleitend gemacht wurde, ist ähnlich der bereits fluß durch die eine Wicklung des Paares und ermögbeschriebenen bekannten Ausführungsform, jedoch 4° licht den Stromdurchfluß in der entgegengesetzten ist der Kondensator durch zwei Spannungsteilerkreuz- Richtung in der anderen Wicklung.
Verbindungen ersetzt, deren jede von einer Stelle Die beiden Ankerwicklungen eines jeden Paares, zwischen einem der Elemente und der damit in Reihe z. B. a-a', sind als Belastungselemente in Reihe mit liegenden Schaltvorrichtung an die Steuerelektrode den Hauptstrompfaden der entsprechenden elektroder anderen Schaltvorrichtung angeschlossen ist. 45 nischen Schaltvorrichtungen SD1, SD 2 geschaltet, Läßt eine der Schaltvorrichtungen Strom durch, so welche so ausgelegt sind, daß sie durch ein einer wird die Spannung an der Stelle zwischen der anderen Steuerelektrode Ce zugeführtes Signal Strom führen nicht leitenden Vorrichtung und deren Serien- können. Beispiele für derartige Einrichtungen sind belastungselement über die entsprechende Spannungs- Thyratrone, Kaltkathodenschaltröhren, gittergesteuerte teilerverbindung an die Steuerelektrode der leitenden 5° Quecksilberdampfgleichrichter und Schaltdioden. Für Vorrichtung angeschlossen, so daß letztere Vorrich- die Zwecke der Darstellung sind gasgefüllte Enttung in der Stromdurchlaßstellung gehalten wird, bis ladungsröhren gewählt. Zwischen jede Ankerwickein Schaltbeginnsignal die andere Vorrichtung leitend lung α, ä und der in Reihe damit liegenden Vorrichmacht, und die resultierende Spannungsänderung an tungSDl oder SD 2 ist ein Gleichrichter RfX oder der letzterwähnten Stelle hält die vorher Strom durch- 55 Rf 2 mit solcher Polarität geschaltet, daß er Strom in lassende Vorrichtung nichtleitend. Bei dieser zweiten derselben Richtung wie die Schaltvorrichtung durch-Ausführungsform eines Schaltkreises wird kein Kon- läßt. Zwischen den Verbindungsstellen ρ 1 und ρ 2 densator geladen. Um jedoch auch bei geringer Span- zwischen diesen beiden Gleichrichtern und den entnungseinspeisung in den Stromkreis eine wirksame sprechenden Schaltvorrichtungen SD1 und SD 2 liegt Schaltbetätigung zu erzielen, kann es wünschenswert 6o ein Querkondensator, der in der bereits beschriebenen sein, die Stellen, von denen die Kreuzverbindungen Weise dem Schaltkreis seinen bistabilen Charakter ausgehen, durch entsprechende Belastungswiderstände verleiht. Startsignale, die synchron mit der Drehung mit einer Hilfsspannungsquelle zu verbinden, die der Maschine in beliebiger Weise erzeugt werden gewährleistet, daß stets eine ausreichende Spannung können, beispielsweise durch ein umlaufendes Hilfsan der einen der beiden Stellen vorhanden ist, die 65 feld (nicht dargestellt), das durch Aufnahmespulen, gerade zwischen die nichtstromführende Schaltvor- beispielsweise pci und pe2, induziert wird, werden richtung und deren Belastung gelegt ist. Dann besteht abwechselnd den Steuerelektroden Ce der beiden die Möglichkeit, daß diese Spannung an dieser letzte- Schaltvorrichtungen SD1 und SD 2 so zugeführt, daß

sie in zeitlicher Hinsicht einen Schaltvorgang einleiten und dabei einen Stromfluß von einer Wicklung des Paares zur anderen bewirken, wobei die Richtung des Stromes, wie durch Pfeile angedeutet, gerade dann immer umgekehrt wird, wenn die Wicklungen zwisehen den Polen liegen. Zum Anlaufen und zum Lauf mit geringer Geschwindigkeit, also dann, wenn die elektromotorische Kraft an den Spulen nicht groß genug werden kann, um die Kapazität für den Schaltvorgang ausreichend zu laden, wird die notwendige Ladung durch Einschalten von Widerständen, z. B. Rl und R2, zwischen die Stellen ρ 1 und ρ 2 und eine geeignete Spannungsquelle, die mit den Klemmen t verbunden ist, bewirkt. Diese Widerstände R1 und R2 haben einen verhältnismäßig hohen Wert, so daß sie für die Ankerwicklungen nur einen geringen Nebenschlußeffekt besitzen. Die an die Klemmen t gelegte Spannung kann die positive Netzspannung der Maschine sein oder einer Anzapfung davon entnommen werden. Dann besteht die Möglichkeit, daß die in den Ankerwicklungen erzeugten Spannungen Strom wieder in die Leitung rückspeisen, was sich jedoch dadurch verhindern läßt, daß geeignet gepolte Gleichrichter, z. B. Rf 3 und Rf 4, in Reihe zu den Widerständen R1 und R 2 gelegt werden.

Läßt die Vorrichtung SD1 Strom durch und die andere Vorrichtung SD 2 nicht, so daß also Strom in der Ankerwicklung a, jedoch nicht in der Ankerwicklung a' fließt, so macht der Spannungsfall an der Wicklung α die Stelle ρ 1 weniger positiv als die Stelle ρ 2, und der Kondensator C wird deshalb geladen. Wird der Spannungabf all an der Wicklung a verringert, während die Vorrichtung SD1 noch Strom durchläßt, so wird der Kondensator C etwas von seiner Ladung verlieren. Um dies zu verhindern, wird ein Gleichrichter RfI eingeschaltet. Der Gleichrichter Rf 2 wirkt in ähnlicher Weise, wenn die Vorrichtung SD 2 an Stelle der Vorrichtung SD1 leitend ist.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die Schaltvorrichtungen· SD1' und SD 2' der bistabilen Schaltanordnung S' als Vakuumröhren mit Steuerelektroden Ce' ausgeführt, sie können jedoch auch durch andere Vorrichtungen, beispielsweise Transistoren mit einer Steuerelektrode ersetzt werden, die, wenn die Vorrichtung stromleitend geworden ist, eine Steuerung ermöglicht. Hierbei sind die beiden Vorrichtungen mit Hilfe von zwei Spannungsteilerverbindungen PR1, PR 2 und Pi? 2, PR 4 ebenfalls kreuzweise geschaltet. Die BelastungselementeZsl und E 2, die beispielsweise wieder die Ankerwicklungen darstellen, sind in Reihe zu den Schaltvorrichtungen SD V und SD 2' geschaltet, wobei die dazwischengeschalteten Gleichrichter RfV und Rf 2' zwischen den Elementen El und E2 und den Stellen ρ 1' und ρ 2' liegen, von denen aus die Kreuzverbindungen PR1, PR 2 und PR 3, PR 4 abgenommen werden. Belastungswiderstände Al' R2', die ein geeignetes Schalten bei zu niedriger Spannung gewährleisten, werden an die Stellen ρ 1' und ρ 2' angeschlossen und weisen Gleichrichter Rf y und Rf 4' auf, die, falls dies erforderlich ist, zu Isolierzwecken in Reihe geschaltet sind. Wenn die Schaltvorrichtung SD V Strom führt (gleichzeitig ist dann SD 2' gesperrt), so verhindert der Gleichrichter Rf 2', daß die Spannung an der Stelle ρ 2' über die Elemente El und E2 und das leitende Element SD1' bereits kurzgeschlossen wird, wenn die am Element El erzeugte Spannung gering ist. Der Gleichrichter RfI' wirkt in ähnlicher Weise, wenn die Vorrichtung SD 2' an Stelle der Vorrichtung SD1' leitend ist.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Bistabile Schaltungsanordnung, die zwei durch Mitkopplungspfade miteinander verbundene elektronische Schaltelemente und in Reihe damit liegende Belastungselemente enthält, die einen sich ändernden Spannungsabfall ergeben, dadurch gekennzeichnet, daß Gleichrichter (RfI, Rf 2) zwischen die entsprechenden Belastungselemente (El, E2) und die Stellen gelegt sind, von denen die Mitkopplungspfade ausgehen, und daß die Gleichrichter derart gepolt sind, daß sie die Lastströme durchlassen.

2. Bistabile Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung für Kommutierungszwecke bei Gleichstrommaschinen, deren Ankerwicklungen paarweise so geschaltet sind, daß sie abwechselnd Strom im Takt ihres Vorbeiganges an den Feldpolen der Maschine führen, derart, daß die Ankerwicklungen eines Paares jeweils die Belastungselemente eines bistabilen Kreises darstellen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1044 883;
USA.-Patentschrift Nr. 2 844 723.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 209 659/217 9.62