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Elektronischer Zeitschalter Die Erfindung betrifft einen elektronischen
Zeitschalter mit einer RC-Ladeschaltung und einer Röhrenkippschaltung als Spannungsmeßeinrichtung,
insbesondere für kernphysikalische Messungen.
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Zur elektronischen Festlegung bestimmter Schaltzeiten sind verschiedene
Anordnungen bekannt, die in zwei Gruppen eingeteilt werden können.
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Eine Gruppe dieser Anordnungen enthält eine Einrichtung, die periodische
elektrische Schwingungen von mehr oder weniger konstanter Frequenz erzeugt. Die
Frequenz dieser Schwingungen dient als Zeitnormal und wird durch sogenannte Frequenzteiler
so weit herabgesetzt, bis die Schwingungsdauer am Ausgang des Frequenzteilers der
gewünschten Schaltzeit entspricht.
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Die zweite Gruppe dieser bekannten Anordnungen verwendet zur Festlegung
der gewünschten Schaltzeit die Zeit, die zur teilweisen oder vollständigen Auf-,
Ent- oder Umladung einer Kapazität über einen Widerstand erforderlich ist. Diese
Anordnungen setzen sich im allgemeinen aus zwei Hauptbestandteilen zusammen: einem
RC-Glied, beispielsweise in Aufladeschaltung, und einer Einrichtung zur elektronischen
Messung der Spannung am Kondensator C. Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist beispielsweise
folgende: Zur Zeit t = 0, d. h. bis zur Auslösung des Zeitschalters, sei die Spannung
Uc am Kondensator C gleich Null. Beim Start des Zeitschalters lädt sich der Kondensator
C über den Widerstand R auf nach der bekannten Beziehung:
wobei t = Zeit und x = R - C ist.
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Wenn sich der Kondensator auf die Ansprechspannung UT der Spannungsmeßeinrichtung
aufgeladen hat, spricht diese an und beendet den Schaltvorgang.
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Für die Schaltzeit T ergibt sich aus Gleichung (1):
wobei U, die Betriebsspannung ist.
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Die Schaltzeit T ist also mit Widerstand R, Kondensator
C oder Ansprechspannung UT allein oder kombiniert einstellbar. Anordnungen dieser
Art erfordern wesentlich weniger Aufwand als Anordnungen der ersten Gruppe. Sie
dienen bei geringerer Genauigkeit vorzugsweise zur Abgabe von Schaltzeiten, die
länger als etwa 0,1 Sekunde sind. Die erfindungsgemäße Anordnung gehört zur letzteren,
zweiten Gruppe von Zeitschaltern, die mit Auf-, Ent- oder Umladung von Kapazität
über einen Widerstand arbeiten.
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Die bisher bekannten Zeitschalter, die mit der Auf-, Ent- oder Umladung
eines Kondensators über einen Widerstand arbeiten, verwenden als Spannungsmeßeinrichtung
eine Elektronenröhre, ein Thyratron oder eine Kaltkathodenrelaisröhre. Die Ansprechspannungen,
und damit die Schaltzeiten dieser Anordnungen, sind von der Betriebsspannung und
zum Teil von der Temperatur abhängig. Die erreichbare Genauigkeit der Schaltzeiten
ist daher vor allem bei langen Schaltzeiten begrenzt und für manche Anwendungen
zu gering.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch die Anwendung eines
elektronischen Zeitschalters mit einer RC-Ladeschaltung und einer Röhrenkippschaltung
als Spannungsmeßeinrichtung die vorgenannten Nachteile zu vermindern. Insbesondere
soll für kernphysikalische Messungen eine Schaltzeit erreicht werden, die eine hohe
Konstanz besitzt und von der Betriebsspannung unabhängig ist, was jedoch bei den
bekannten Anordnungen nur in grober Näherung der Fall ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ansprechspannung
der kathodengekoppelten Röhrenkippschaltung durch einen Spannungsteiler zwischen
der für die RC-Ladeschaltung und die Röhrenkippschaltung gemeinsamen Betriebsspannung
bestimmt ist und die RC-Ladeschaltung direkt an die Betriebsspannung angeschlossen
ist.
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Liegt der Widerstand des RC-Gliedes an derselben Betriebsspannung
U, wie die Röhrenschaltung, so bleibt demzufolge bei Änderungen der Betriebsspannung
U, in der Gleichung (2) das Verhältnis U2,: Uo konstant. Die Schaltzeit T ist also
unabhängig von der Betriebsspannung Uo.
Nachstehend sei die erfindungsgemäße
Anordnung an Hand von Ausführungsbeispielen mit drei Abbildungen des näheren erläutert.
Es zeigt Abb. 1 ein allgemeines und vereinfachtes Blockschaltbild für Zeitschalter
nach dem Aufladeprinzip von RC-Gliedern, Abb. 2 ein ebenfalls auf die wesentlichsten
Schaltglieder vereinfachtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens und Abb.
3 eine Kombination zweier Schaltungen beispielsweise nach Abb. 2 mit nachgeschaltetem
Zähler bzw. Untersetzer: In Abb. 1 ist zu erkennen, daß an einer Betriebsspannung
U, ein RC-Glied 1 sowie eine Spannungsmeßeinrichtung 2 anliegt. Das RC-Glied besteht
aus einem Widerstand R und einem Kondensator C. Derartige Schaltungen sind zur Zeitmessung
bekannt.
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In Abb. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die
Röhren 3 und 4 sind in der bekannten Schmitt-Trigger-Anordnung zusammengeschaltet.
Diese Schaltung besitzt unter anderem die Eigenschaft, bei einer bestimmten Spannung
5 am Steuergitter der Röhre 3 von der einen stabilen Lage in die andere stabile
Lage zu kippen. Diese Spannung 5 am Steuergitter der ersten Röhre 3, bei der die
Schaltung kippt, ist sehr genau bestimmt und etwa gleich der Spannung 6 am Steuergitter
der Röhre 4. Da die Spannung 6 durch den Spannungsteiler, bestehend aus den
Widerständen 7, 8 und 9, zwischen der Betriebsspannung 10 und Nullpotential festgelegt
wird, ist die Anspruchspannung erfindungsgemäß gleichsinnig und proportional von
der Betriebsspannung 10 abhängig. Infolge der starken Gleichstromgegenkopplung am
Kathodenwiderstand 11 ist die Schaltung nahezu unabhängig von Schwankungen der Röhrenheizspannung
und von Röhrenalterungen.
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In dem in Abb.2 dargestellten Ruhezustand der Schaltung ist Röhre
3 stromführend, Röhre 4 gesperrt und das Relais 12 stromlos. Der Kondensator 13
ist über den Kontakt 14 des Relais 12 kurzgeschlossen und vollständig entladen.
Bei kurzzeitiger Betätigung der Taste 15 fließt Strom durch das Relais 12, so daß
dieses anzieht und seine Kontakte 14 und 16 umschaltet. Damit liegt der Kondensator
13 am Steuergitter der Röhre 3 und zieht die Spannung 5 im ersten Moment auf den
Wert Null herunter. Röhre 3 wird dadurch gesperrt und Röhre 4 stromführend,
so daß das Relais 12 auch nach Öffnen der Taste 15 angezogen bleibt. Gleichzeitig
beginnt die Aufladung des Kondensators 13 über den Widerstand 17. Die Spannung am
Kondensator 13 und damit am Steuergitter der Röhre 3 steigt nun gemäß Gleichung
(1) an, bis sie gleich der Ansprechspannung UT,e *) Spannung 6 ist. In diesem
Moment wird wieder Röhre 3 leitend und Röhre 4 gesperrt, das Relais 12 fällt ab,
und die Schaltung befindet sich wieder im Ausgangszustand. Mit dem Kontakt 16 kann
das zu steuernde Gerät ein- und ausgeschaltet werden.
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*) vgl. Formel (2) Änderungen der Schaltzeit in Abhängigkeit von der
Temperatur werden dadurch kompensiert, daß die Ansprechspannung der Schaltung in
geeigneter Weise temperaturabhängig gemacht wird. Das kann beispielsweise dadurch
geschehen, daß man Teile des Spannungsteilers, bestehend aus den Widerständen 7,
8 und 9, oder den gesamten Spannungsteiler durch den Einbau von temperaturabhängigen
Widerständen oder Kombinationen derselben mit normalen Widerständen temperaturabhängig
macht.
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Zur Erzielung längerer Schaltzeiten bei verhältnismäßig niedrigem
Aufwand an Material können beispielsweise auch zwei Zeitschalter gemäß Abb. 2 so
miteinander verbunden werden, daß sich eine Anordnung gemäß Blockschaltbild nach
Abb. 3 ergibt. Dabei lösen sich die beiden Zeitschalter 18 und 19 mit den Schaltzeiten
T,. bzw. T, abwechselnd gegenseitig aus und steuern einen beispielsweise mechanischen
oder elektronischen Zähler bzw. Untersetzer 20. Entsprechend dem Untersetzungsfaktor
n des Untersetzers 20 werden Schaltzeiten der Dauer T3 = h (T; -E- T2) (3)
erhalten.