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Elektrische Schaltungsanordnung mit Transistoren zur verzögerten Betätigung
von Schützen, Relais oder anderen Steuer-oder Schutzeinrichtungen Zur Erzielung
einer ansprechzeitverzögerten Schalthandlung ist die Verwendung von RC-Gliedem hinreichend
bekannt. In Verbindung mit elektronischen Relais werden derartige Zeitglieder in
der Weise verwendet, daß man beispielsweise die Ladespannung des Kollektors als
Steuerspannung für einen Schalttransistor od. dgl. verwendet. Hierbei wird beispielsweise
durch eine Rückkopplungsschaltung bewirkt, daß der Transistor schlagartig in den
leitenden Zustand umgesteuert wird, wenn nach einer vorherbestimmten Zeit die nach
einer e-Funktion ansteigende Ladespannung des Kondensators einen bestimmten Wert
überschreitet. Die Verzögerungszeiten, die man normalerweise mit derartigen RC-Gliedern
erreichen kann, sind in der Praxis auf einige Sekunden begrenzt, weil der Materialaufwand
für größere Verzögerungszeiten unwirtschaftlich ist.
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Es ist bereits ein ansprechverzögertes elektronisches Relais bekannt,
mit welchem bei gleicher Bemessung des Zeitgliedes größere Verzögerungszeiten erzielt
werden können. Bei dieser Einrichtung wird eine Triode dazu verwendet, ein in ihrem
Kathodenkreis liegendes Relais mit sehr großer Zeitverzögerung nach Einschalten
der Anodenspannung zu betätigen. Hierzu wird die Triode nach Einschalten der Anodenspannung
über ihr Steuergitter automatisch ganz langsam aufgesteuert, so daß der ganz allmählich
ansteigende Kathodenstrom den Ansprechwert des Relais erst nach einer Zeit erreicht,
die der gewünschten Verzögerungszeit entspricht. Die erforderliche Steuerspannung
gewinnt man durch Abgriff am Widerstand eines RC-Zeitgliedes, welches einem ebenfalls
im Kathodenkreis der Triode liegenden großen ohmschen Widerstand parallel geschaltet
ist. Der Ladestrom des Kondensators ist dabei bestimmt, durch die Zeitkonstante
des RC-Gliedes und die Spannung, die an dem hohen ohmschen Kathodenwiderstand abfällt,
und die dem Kathoden- bzw. Anodenstrom der Triode proportional ist.
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Die Gitterspannungsänderung und damit der Anoden- bzw. Kathodenstromanstieg
wird dadurch in einem solchen Maße verzögert, daß die Zeitkonstante der gesamten
Anordnung etwa dem Produkt aus Verstärkungsfaktor der Röhre und Zeitkonstante des
RC-Gliedes entspricht. Der wesentliche Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht
darin, daß die Verzögerungszeit stark anodenspannungsabhängig ist. Dieser Nachteil
läßt sich auch dadurch nicht beheben, daß man statt der Triode eine Pentode verwendet.
Man müßte nämlich eine solche Röhre doch als Triode schalten, weil anderenfalls
das Schirmgitter die Funktion der Anode schon übernehmen würde, bevor der Anodenkreis
geschlossen wird. Man könnte zwar die Triode durch einen Transistor ersetzen, der
in Emitterschaltung bekanntlich eine Pentodenkennlinie aufweist, jedoch würde dadurch
an der Tatsache der Spannungsabhängigkeit der Schaltung nichts geändert.
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Im vorliegenden Fall ist die Aufgabe gestellt, eine ansprechzeitverzögerte
transistorbestückte Schaltungsanordnung zu erstellen, die große Verzögerungszeiten
erlaubt, welche nicht mehr von Schwankungen der Versorgungsspannungen abhängig sind.
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Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Schaltungsanordnung
mit Transistoren zur verzögerten Betätigung von Schützen, Relais oder anderen Steuer-
oder Schutzeinrichtungen. Erfindungsgemäß ist in dieser Schaltungsanordnung ein
in Emitterschaltung erster Transistor vorgesehen, welcher in seinem Basiskreis über
eine Serienschaltung aus ohmschem Widerstand und Kondensator mit einem Ladestrom
beaufschlagt wird und einen Kollektorwiderstand aufweist, der größer ist als der
-Quotient aus der Speisespannung und dem Produkt des Transistorverstärkungsfaktors
mit dem Maximalwert des steuernden Ladestromes; ein weiterhin zur Betätigung des
Schützes, Relais od. dgl. vorgesehener zweiter Transistor wird durch die Potentialdifferenz
zwischen dem Kollektor des ersten Transistors und dem Abgriff eines ohmschen Spannungsteilers
derart gesteuert, daß er erst dann leitend wird, wenn der steuernde Ladestrom des
ersten Transistors nach einer bestimmten einstellbaren Zeit auf einen Wert abgeklungen
ist, dessen Unterschreitung eine Verlagerung des
bis dahin, konstanten
Potentialgefälles an- der Kollektorelektrode des ersten Transistors bewirkt.
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Der grundsätzliche Aufbau einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung
ist in Fig. 1 dargestellt. Zwischen dem negativere Pol der Spannungsquelle und der
Basis des Transistors T1 sind ein Kondensator C und ein veränderbarer Widerstand
R1 in Reihe geschaltet. Am Kollektor des Transistors T1 ist ein Widerstand R2 und
die Basis des Transistors T, angeschlossen. Das andere Ende des Widerstandes R2
ist mit dem Minuspol der Spannungsquelle verbunden. Zwischen dem Kollektor des Transistors
T, und dem -Minuspol der Spannungsquelle liegt die Wicklung eines Relais A. Der
positive Pol der Spannungsquelle wird über den Schalter S an den Emitter des Transistors
T1 und an ein Ende des Spannungsteilers R3/R4, geführt, an dessen Abgriff der Enlitter
des Transistors T2 angeschlossen ist.
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Die -Arbeitsweise dieser Schaltung ist im folgenden unter Bezugnahme
auf das Diagramm der Fig. 2 näher erläutert. Beim Schließen des Schalters S fließt
ein zeitabhängiger Ladestrom Il mit dem Anfangs-wert Il""., durch die Emitter-Basis-Strecke
des Transistors T1 und den Widerstand R1 auf den positiven Belag des Kondensators
C. Der Transistor T1 habe den Verstärkungsfaktor
Ist der Widerstand R2 so gewählt, daß ,x''hmax-R2 > U
ist, so liegt an dem
Transistor T1 nur noch eine kleine Restspannung. Das Emitterpotential des Transistors
T2 ist mit Hilfe der Widerstände R3 und R4 um den Betrag dieser Restspannung nach
der Minusleitung hin verschoben. Der Transistor T2 wird also angesteuert, wenn folgende
Bedingung erfüllt ist:
RB ist der Basiswiderstand des Transistors TV Durch Kürzen und Logarithmieren ergibt
sich als Ausdruck für die Verzögerungszeit
Zunächst geht hieraus hervor, daß die Schaltung spannungsunabhängig ist. Berücksichtigt
man noch, daß RB << R1 und R3 G< R4 ist, so läßt sich einfacher schreiben:
Die Verzögerungszeit wächst also mit dem Verstärkungsfaktor ä des Transistors T1.
Sie wird außerdem größer als die Zeitkonstante CRi, wenn
ist. Diese Bedingung ist mit den. zur Zeit auf dem Markt befindlichen Transistoren
erreichbar. Das zeitliche Verhalten der Ströme 1i,
und 13 ist in Fig. 2 aufgetragen. Der Ladestrom l, hält bis zum Punkt x1 den Transistor
T1 offen. Von da an steigt 13 im Transistor T, schnell an, bis das Relais anzieht,
was im Punkt x, geschieht. Die Zeitspanne x, -x1 ist im Ausdruck für die Verzögerungszeit
nicht berücksichtigt.
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Ein weiterer Teil der Erfindung besteht in der Verkürzung dieser'
Zeitspanne x, - x1 durch geeignete Schaltungsanordnungen. Dies ist z. B. möglich
durch eine Schaltung nach Fig.3. Hier ist eine Rückkopplung eingeführt in der Art,
daß die Emitterströme beider Transistoren den Widerstand 9 passieren müssen. Das
hat zur Folge, daß nach Ablauf der Verzögerungszeit der Kollektorstrom im Transistor
7 schlagartig auf seinen Endwert ansteigt und Transistor 4 ebenso schlagartig gesperrt
wird. Das Relais A hält sich danach über den Arbeitskontakt a bis die Spannung abgeschaltet
wird. Zur Kompensation des temperaturabhängigen Reststromes und Verstärkungsfaktors
des Transistors 4
ist sein Kollektorwiderstand teilweise als Heißleiter 5
ausgeführt. Damit bei. einem Forfall der Spannung vor Ablauf der eingestellten Verzögerungszeit
der Kondensator 1 in kurzer Zeit entladen werden kann, ist von seinem positiven
Anschluß bis zur positiven Leitung eine Diode 12 geschaltet. Diese Diode 12 ist
so gepolt, daß sie bei Wegfall der äußeren Spannung U in Reihe mit dem Arbeitskontakt
a und der Relaisspule A einen niederohmigen Entiadekreis in Durchlaßrichtung bildet.
Der Widerstand im Basiskreis des Transistors 4 ist in einen veränderbaren Teil 3
und einen- Schutzwiderstand 2 aufgespalten: Die Diode 11 schützt in bekannter Weise
den Transistor 7 vor Ausschaltüberspannungen des Relais A.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 4. Hier ist eine Rückkopplung
herbeigeführt durch transformatorische übertragung vom Ausgangskreis des Transistors
7 zum- Eingang des Transistors 4. Der nach Ablauf der Verzögerungszeit
durch die Relaiswicklung fließende kleine Strom erzeugt in der auf dem Relaiskern
untergebrachten Zweitwicklung einen Impuls, der den Transistor 4 sperrt und einen
steilen Stromanstieg im Transistor 7 bewirkt. Auch andere Arten der Rückkopplung
sind ausführbar, z. B. mit Widerständen, Kondensatoren oder Halbleitern vom Kollektor
des Transistors 7 zum Basiskreis des Transistors 4.