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Schaltungsanordnung zur Vorzeichenbestimmung einer Potentialdifferenz
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, mit deren Hilfe das Vorzeichen
der Differenz zweier elektrischer Potentiale ermittelt werden kann. Sie verwendet
dazu einen Übertrager, in dessen Primärkreis die beiden Potentiale zum Ausgleich
gelangen.
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Für derartige Anordnungen besteht insbesondere durch die fortschreitende
Automatisierung einer großen Anzahl von technischen Vorgängen ein ständig wachsender
Bedarf. Voraussetzung für eine solche Automatisierung ist eine ständige messende
Kontrolle der automatisierten Maschinen, die beispielsweise dadurch geschehen kann,
daß die von der betreffenden Maschine hergestellten Werkstücke mit vorher festgelegten
Toleranzen verglichen werden.
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Zu diesem Zweck kann man beispielsweise eine bestimmte Meßgröße des
Fertigungsgegenstandes in eine Gleichspannung umwandeln und dann mit einer entweder
der oberen oder der unteren Toleranzgrenze entsprechenden Gleichspannung vergleichen.
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In beiden Fällen interessiert der eigentliche Meßwert nicht, sondern
nur das Vorzeichen der Differenz zwischen der Gleichspannung, die dem Meßwert, und
der Gleichspannung, die der Toleranzgrenze entspricht. Bei einem »guten« Fertigungsstück
muß diese Differenz beim Vergleich mit der oberen Toleranzgrenze positiv und beim
Vergleich mit der unteren Toleranzgrenze negativ sein, wenn der Meßwert von der
Toleranzgrenze subtrahiert wird.
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Man arbeitet also sozusagen mit einer elektronischen Rechenlehre.
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Bei einer bekannten Anordnung wird über Umschalter ein Kondensator
auf die zu beurteilende Potentialdifferenz aufgeladen und anschließend über den
Primärkreis eines Transformators wieder entladen. Im Sekundärkreis des Transformators
entsteht dann eine gedämpfte Schwingung, deren erste Halbwelle je nach ihrer Polarität
die eine oder die andere von zwei Gasentladungsröhren zündet. Nachteilig ist bei
dieser Schaltung jedoch ihr nur teilweise elektronischer Aufbau, der ihre Arbeitsgeschwindigkeit
begrenzt, ihre mangelhafte Übersteuerungsfestigkeit, die nur die Verarbeitung von
Kleinstspannungen zuläßt, und ihre Unempfindlichkeit.
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Dazu kommt noch, daß sie einer externen Löschung bedarf, um für die
nächste Messung einsatzbereit zu werden.
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Bekannt ist ferner eine mit Magnetkernanordnungen arbeitende Einrichtung,
die anspricht, wenn ein durch den Primärkreis eines Transformators fließender Strom
seine- Richtung ändert, Es handelt sich dabei jedoch nicht um eine Meßeinrichtung,
sondern lediglich um ein Mittel zur Anzeige einer
einmaligen Richtungsänderung des
Stromes. Eine Verwendung der bekannten Anordnung für die der vorliegenden Erfindung
zugrunde liegende Aufgabe scheidet schließlich auch deswegen aus, weil ihre Übersteuerungsfestigkeit
infolge der unvermeidlichen Hystereseeigenschaften der Magnetkerne völlig unzureichend
wäre.
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Wünschenswert für eine Anordnung zum Vergleich von Spannungen und
Potentialen der oben beschriebenen Art und zur Ermittlung des Vorzeichens ihrer
Differenz ist es, daß die absolute Höhe der zu messenden bzw. zu vergleichenden
Gleichspannungen innerhalb eines großen Bereiches, z. B. i500 V, ohne Einfluß ist,
daß die Anordnung geschaltet arbeitet, d. h. also eine Messung zu einem oder mehreren
beliebig wählbaren Zeitpunkten gestattet, und schließlich ist es von Vorteil, wenn
sie aus einzelnen Stufen zusammengesetzt ist, die sich bausteinähnlich zusammenfügen
lassen, und damit eine Anpassung der Anordnung an verschiedene Betriebsbedingungen
gestattet.
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Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zu
schaffen, die allen obenerwähnten Bedingungen genügt. Daneben sollte zugleich eine
hohe Meßempfindlichkeit für die Spannungsdifferenz, beispielsweise von etwa t 1
mV, erreicht werden. Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch einen Impulsgeber,
der den Potentialausgleich über einen potentialfreien elektronischen Kurzschluß
schalter vermittelt, und einen vom Übertrager gesteuerten Verstärker, dessen Ausgang
während
einer durch eine vom Impulsgeber abgeleitete Einflußgröße bestimmten Zeitdauer zur
Bereitstellung der gesuchten Größe entsperrbar ist.
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Durch die Verwendung eines potentialfreien elektronischen Kurzschlußschalters
hat die absolute Höhe der Vergleichsspannungen keinen Einfluß auf die Durchführung
der Messungen. Der Impulsgeber sorgt für die Möglichkeit einer beliebigen Auswahl
der Meßzeitpunkte, er ist gegebenenfalls auch in der Lage, einen bestimmten Meßtakt
vorzuschreiben, was beispielsweise bei einer Fließbandfertigung erwünscht sein kann.
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Die einzelnen Baustufen der erfindungsgemäßen Kombination sind im
Prinzip bekannt, und jede stellt ein für sich abgeschlossenes Bauelement dar, so
daß ein Austausch der einzelnen Stufen ohne weiteres möglich und damit eine gute
Anpassung der Anordnung an verschiedene Aufgaben ohne Schwierigkeiten zu erzielen
ist.
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Zur Steigerung der Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Anordnung
ist es von Vorteil, in dem Kurzschluß schalter einen Kondensator vorzusehen, der
so bemessen ist, daß er den den Kurzschluß ausgleichenden Stromimpuls vergrößert.
Günstig ist ferner, den Kurzschlußschalter als Ganzes zu symmetrieren und an seinem
Eingang Mittel vorzusehen, mit denen die absolute Höhe der zu messenden Spannungsdifferenz
begrenzt werden kann.
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Für diesen Zweck eignet sich beispielsweise eine Parallelschaltung
aus zwei entgegengesetzt gepolten Dioden, die den Eingang des Kurzschlußschalters
überbrückt.
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Die Ankopplung sowohl des Impulsgebers, der den Abfragetakt bestimmt,
an den Kurzschlußschalter als auch die des Kurzschlußschalters an den Verstärker,
der den Kurzschlußausgleichsstromimpuls verstärkt, kann mit Vorteil über je einen
Übertrager geschehen, dessen verschiedene Wicklungen in den entsprechenden Zweigen
des Impulsgebers, des Kurzschlußschalters und des Verstärkers liegen, da auf diese
Weise sich die Potentialfreiheit der Anordnung am einfachsten realisieren läßt,
die mit der geforderten Unabhängigkeit von dem Absolutwert der Meßgröße identisch
ist. Der Verstärker selbst wird in Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung
als Gleichstromverstärker ausgebildet, wodurch sich eine wesentliche Herabsetzung
der Übersteuerungsnachwirkzeit und damit eine Vergrößerung der Abfragehäufigkeit
erzielen läßt.
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Dazu wird eine Gleichstromgegenkopplung vorgesehen, die den Arbeitspunkt
des Verstärkers stabilisiert. Sie ist über einen Kondensator für die Meßimpulse
kurzgeschlossen, so daß für diese Impulse die volle Verstärkung zur Verfügung steht.
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Ebenfalls liegt es im Sinne der Erfindung, dem Ausgang des Verstärkers
einen kurzzeitig öffnenden Phasengleichrichter nachzuordnen, der nur die durch den
Verstärker gelangten Primärimpulse auf den Ausgang kommen läßt. Auf diese Weise
läßt sich eine allenfalls verbliebene Übersteuerungsnachwirkung auf die nachfolgenden
Schaltungsteile völlig ausschalten. Dem Verstärkerausgang kann ferner eine Kippstufe
nachgeordnet sein, deren Schaltzustand durch den verstärkten Kurzschlußausgleichsstromimpuls
je nach seiner Polarität entweder bestätigt oder geändert wird und die damit an
ihren Ausgang eine dem Vorzeichen der Spannungsdifferenz entsprechende Spannung
liefert, die zur Betätigung
eines Relais oder einer Anzeigevorrichtung dienen kann.
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An den Kippstufenausgängen kann man noch Torschaltungen vorsehen,
die jeweils von der Rückflanke der vom Impulsgeber erzeugten Impulse herrührende
Impulse durchlassen, die dem Ergebnis der Messungen der. Spannungsdifferenz entsprechen,
und eine Weiterverarbeitung des Meßergebnisses gestatten.
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- Das Meßergebnis zeigt sich dabei in der Weise an, daß bei positivem
Vorzeichen der Spannungsdifferenz ein Impuls am Ausgang der einen Torschaltung erscheint
und bei negativem Vorzeichen am Ausgang der anderen.
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In der Zeichnung ist ein Schaltbild für eine mögliche Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Es gliedert sich in fünf in sich
abgeschlossene Teile, nämlich den Kurzschlußschalter 1, den Impulsgeber II, den
Verstärker III, den Phasengleichrichter IV und die Ausgangskippstufe V mit den nachgeordneten
Torschaltungen.
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Die Spannungen U1 und U2, für deren Differenz das Vorzeichen sign
(U1U,) ermittelt werden soll, werden an die Klemmen 1 und 2 des Kurzschlußschalters
I angelegt und gelangen über die ohmschen Widerstände R1 und R2 und die Wicklungen
Trii und Trl2 des Übertragers Trl auf die Emitter der Schalttransistoren Tsl und
Ts2, deren Kollektoren miteinander verbunden sind. Zwischen den Widerständen R1
bzw. R2 und den Wicklungen Tr11 bzw.
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Tr12 des Übertragers Trl ist eine Verbindung durch eine Parallelschaltung
entgegengesetzt gepolter Siliziumdioden D1 und D2 vorgesehen, durch die die absolute
Höhe der Spannungsdifferenz | U1U2 t am Schalter auf einen bestimmten Wert, beispielsweise
auf 0,7 V, begrenzt wird. Ebenfalls als Uberbrückung der obenerwähnten Leitungen
ist der Kondensator C1 zwischen R1 und Trii bzw. zwischen R2 und Tr12 eingefügt,
der den Kurzschlußausgleichsstromimpuls über die Transistoren Tsl und Ts2 verstärkt.
Im Basiszweig der Schalttransistoren Tsl bzw Ts2 liegt jeweils ein ohmscher Widerstand
R3 bzw. ki, und in Reihe zu diesen Widerständen ist die Wicklung Ei'21 des Übertragers
Tr2 angeordnet, der die Kopplung des Kurzschlußschalters I mit dem Impuls geber
II, der die Wicklungen Tr22 und Tr23 des bertragers Tr2 enthält, bewirkt.
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Der Abfrageimpuls gelangt in dem dargestellten Schaltbeispiel als
positiver Impuls auf die Eingangsklemme 3 des Impulsgebers II und von dort über
den Kondensator C5 auf den Kollektor des Transistors Ts7, der mit den Wicklungen
tor22 und Tor23 des Übertragers Tr2 und dem Spannungsteiler an den Widerständen
R15 und R16 zu einer monostabilen Kippstufe (ungenau auch als Sperrschwinger bezeichnet)
zusammengeschaltet ist. Die Diode D3 verhindert eine Abschaltspannungsspitze am
Transistor Ts7 am Ende des Impulses, die über die Induktivität der Wicklungen Tr22
und Turn3 entstehen könnte.
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Der Verstärker III ist über die Wicklung Trl3 des Übertragers T)1
an den Kurzschlußschalter angekoppelt. Diese Wicklung Trii liegt im Basiszweig des
Eingangstransistors Ts3 des Verstärkers III und steuert diesen an der Basis aus.
Der Anschluß der einzelnen Verstärkerstufen aneinander, nämlich von Ts3 nach Ts4
bzw. von Ts4 nach Tso, erfolgt über Spannungsteiler aus den Widerständen R6 und
R7
bzw. R11 und R12, die jeweils zwischen dem Kollektor des Transistors
der vorangehenden Stufe und der Basis des Transistors der nachfolgenden Stufe bzw.
zwischen dieser und einer positiven Hilfsspannung + U an der Klemme 11 eingefügt
sind. Die Gegenkopplung vom Ausgang des Transistors Ts5 auf den Eingang des Transistors
Ts3 erfolgt über einen weiteren Spannungsteiler aus den Widerständen Rs und Rg.
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Für die Meßimpulse wird die Gegenkopplung über den Kondensator C2,
der zwischen dem Verbindungspunkt der Wicklung Trl3 mit dem. Widerstand Rs und dem
Emitter des Transistors Ts3 angeordnet ist und zugleich als »kaltes Ende« für die
Wicklung Trl3 des Übertragers Tri dient, unwirksam gefacht, da er für diese Impulse
einen Kurzschluß darstellt. Die Widerstände Rg, R10 und R13 sind die Außenwiderstände
der einzelnen Verstärkerstufen Ts3, Ts4 und Ts.5 und stehen über die Klemme 12 mit
der Spannung U in Verbindung, die z. B. V betragen kann.
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Der Anschluß des Verstärkers III an den Phasengleichrichter IV erfolgt
über einen Kondensator C3, der an den Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor des
Endstufentransistors Tss und dem Kollektorwiderstand R13 angeschlossen ist und an
den Emitter des Transistors Ts6 des Phasengleichrichters IV führt.
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Der Transistor Ts6 des Phasengleichrichters IV ist im Normalzustand
stromleitend und stellt damit einen Kurzschluß für den Ausgang des Verstärkers III
dar. Ein Sperren des Transistors ist nur für den Zeitabschnitt gegeben, an dem über
den Basiswiderstand R14 und den Kondensator C4 die positive Flanke des Abfrageimpulses
über die Wicklung Tr22 des Ubertragers T)2 auf die Basis des Transistors Ts6 gegeben
wird. Die Länge dieses Zeitabschnittes ist durch die Zeitkonstante aus R14 und C4
bestimmt.
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In diesem Schaltzustand kann der Primärimpuls von dem Verstärker III
über den Kondensator C10 auf die Kippstufe V gelangen, alle späteren Schleppimpulse
werden durch den dann wieder leitenden Transistor Tss kurzgeschlossen.
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Die Kippstufe V ist in üblicher bistabiler Bauart aufgebaut und besteht
aus den Transistoren Tss und Tss, deren Emitter miteinander verbunden sind und über
den Widerstand R26 gegenüber dem Nullpotential an der Klemme 9 auf etwa -1V vorgespannt
werden. Die Ausgänge der Transistoren Tse und Tss sind wechselseitig über den Spannungsteiler
aus dem Widerstand R24, dem eine Kapazität C7 parallel liegt, und R27 bzw. über
den Spannungsteiler aus dem Widerstand R23, dem eine Kapazität C6 parallel liegt,
und dem Widerstand R25 rückgekoppelt.
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Die Außenwiderstände der Transistoren Tss und Tss sind R20 bzw. Ills,
die über die Klemme 7 mit der Hilfsspannung - U in Verbindung stehen. Als Meßergebnis
erscheint bei positivem Vorzeichen an der Klemme 4 und bei negativem Vorzeichen
an der Klemme 8 eine positive Gleichspannung.
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Die Dioden D4 und D5 der angeschlossenen Torschaltungen erhalten
über die Widerstände R18 bzw.
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R,1 von den Ausgangsklemmen 4 bzw. 8 der Kippstufe V ihre Vorspannungen
gegen das Emitterpotential der Transistoren Ts8 und Tss, das ihnen über die Widerstände
R17 bzw. R22 zugeführt wird.
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Auf die Ausgangsklemmen 5 bzw. 6 der Torschaltungen kann nur dann
ein positiver Impuls von der Basis des Transistors Ts7 des Impulsgebers II über
die Kondensatoren Cs bzw. Cs und die Dioden D4
bzw. D5 gelangen, wenn die Transistoren
Ts8 bzw.
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Ts9 stromleitend sind und damit ihre Kollektoren Emitterpotential
führen. Die Klemme 5 ist damit der Klemme 4 und die Klemme 6 der Klemme 8 zugeordnet.
Ein Ansprechen der Torschaltungen ist dabei erst dann möglich, wenn die Kippstufe
V ihre Ruhelage über die Ansteuerung durch den Phasengleichrichter IV erreicht hat.
Dies wird durch die Ankopplung der Kondensatoren C8 und Cs an die Basis des Transistors
Ts7 bewirkt, der erst am Ende des Abfrageimpulses seinerseits einen positiven Impuls
abgibt; die Verzögerung gegenüber dem Abfragezeitpunkt kann dabei beispielsweise
10 ss betragen.