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Vorrichtung zum Steuern des selbsttätigen Ein- und Ausrückens einer
elektromagnetisch betätigten Kupplung für Kraftfahrzeuge Die Erfindung bezieht sich
auf eine Vorrichtung zum Steuern des selbsttätigen Ein- und Ausrückens einer elektromagnetisch
betätigten Kupplung für Kraftfahrzeuge, bei der die Magnetwicklung der Kupplung
von einer Gleichstromquelle beaufschlagbar ist, wobei im Speisestromkreis ein Unterbrecher
sowie veränderliche oder gleichbleibende Widerstände und Kondensatoren eingeschaltet
sind, die die Spannung im Speisestromkreis in Abhängigkeit von der Zeit bestimmen.
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Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art wird ein Generator verwendet,
der die Geschwindigkeit der Abtriebswellen mißt und eine dazugehörige Gleichspannung
liefert, die einer Röhre zwecks entsprechender Beeinflussung des Kupplungsstromes
zugeführt wird. Es soll dabei eine bestimmte Geschwindigkeit der Abtriebswelle der
Kupplung aufrechterhalten werden.
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Eine andere bekannte Vorrichtung zum Steuern des Einrückens einer
elektromagnetisch betätigten Kupplung von Kraftfahrzeugen weist einen an den Motor
angeschlossenen Generator auf, durch den eine von der Geschwindigkeit der Abtriebswelle
abhängige Speisespannung zur Verfügung gestellt wird, so daß ebenfalls ein progressives
Anziehen der Kupplung gewährleistet ist, jedoch in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit
und nicht ausschließlich in Abhängigkeit von der Zeit.
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Ähnliches gilt für eine vergleichbare Vorrichtung bekannter Bauart,
bei der wiederum von einem vom Motor angetriebenen Generator her die Spannungsversorgung
für die Kupplung erfolgt und lediglich in diesen Stromkreis Vorschaltwiderstände
eingesetzt sind, die in Abhängigkeit von der Gaszuführung für den Motor und vom
öldruck den Speisestrom der elektromagnetisch betätigten Kupplung beeinflussen.
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Das im wesentlichen nur von der Fahrgeschwindigkeit abhängige Arbeiten
der Kupplung bleibt auch bei einer weiteren bekannten Vorrichtung erhalten, bei
der bei niedrigen Geschwindigkeiten die Stromversorgung der Ständerwicklung des
den Kupplungsstrom liefernden Generators bei niedrigen Geschwindigkeiten durch die
Batterie erfolgt, während bei höheren Geschwindigkeiten der Generator auf eine Betriebsweise
umgeschaltet wird, bei der er sich selbst den Strom im Stator erzeugt.
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Gegenstand eines älteren Patentes ist ferner ein Steuergerät für eine
elektromagnetisch betätigte Kupplung, bei der der eine Teil der Kupplung von einem
Motor mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben wird, während die Geschwindigkeit
des anderen Kupplungsteiles dadurch beeinflußt werden kann, daß in der elektromagnetisch
betätigten Kupplung ein ständiges Gleiten hervorgerufen wird. Maßgeblich für dieses
Verhalten ist ein dabei verwendeter Generator, der einem die Kupplung mit Strom
versorgenden Transistor eine von der Geschwindigkeit der Abtriebswelle abhängige
Steuerspannung liefert.
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Soweit man bereits einen sich mit der Zeit langsam ändernden Strom
für einen Verbraucher hergestellt hat, handelt es sich um die Reihenschaltung oder
Parallelschaltung eines Osmiumfadens zum Verbraucher. Auf diese Weise kann jedoch
kein scharfer anfänglicher Stromanstieg mit anschließendem allmählichem weiterem
Ansteigen erzielt werden, wie dies bei Kupplungen im allgemeinen erwünscht ist.
Bei einer Kraftfahrzeugkupplung, die möglichst wenig Strom verbrauchen soll, ist
im übrigen ein solcher Vorschaltwiderstand auch deshalb nicht geeignet, weil er
einen Großteil der gesamten Leistung in Anspruch nimmt. Demgegenüber ist es bei
Verwendung von Transistoren ohne weiteres möglich, an demselben nur einen sehr geringen
Spannungsabfall auftreten zu lassen, so daß der Leistungsverlust insoweit in geringen
Grenzen bleibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung zu
schaffen, bei der der Kupplungsvorgang selbst möglichst sanft gestaltet wird, so
daß also etwa im Sinne eines allmählichen Anfahrens des Fahrzeugs die Kupplung nur
langsam eingerückt wird.
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Gemäß der Erfindung ist zu diesem Zweck im Speisestromkreis der Magnetwicklung
der Kupplung ein als Stromverstärker dienender Leistungstransistor angeordnet, an
dessen Schaltelektroden ein Steuerstromkreis zum Erzeugen einer die Änderung des
Speisestromes
bewirkenden Steuerspannung angelegt ist, der einen Unterbrecher und Widerstände
mit positiver oder negativer Temperaturbeizahl, feste oder mit der Spannung veränderliche
oder gleichrichtende Widerstände, Selbstinduktionsspulen oder Kondensatoren, Halbleiter
enthält, deren Kombination die Gesetzmäßigkeit der Speisestromänderung in Abhängigkeit
von der zwischen dem vom Steuerstromkreis abgegebenen Steuersignal und dem Erreichen
des maximalen oder minimalen Stromwertes abgelaufenen Zeit bestimmt. Der die Kupplung
betätigende Strom wird hierbei also ausschließlich in Ab-
hängigkeit von der
Zeit, nicht aber auch in Abhän-C gigkeit von einem mit der Abtriebswelle verbundenen
Generator gesteuerL Diese Bauweise ergibt den Vorteil, daß insbesondere beim Anfahren
ein langsames Kuppeln in exakter Zeitabhängigkeit erfolgt. Es sind also unerwünschte
Stöße oder aber bei zu langsamem Kuppeln ein zu langes Gleiten der Kupplungsteile
aufeinander und eine dementsprechende Erwärrnung vermieden. Dabei wird durch die
Speisung der normal gebauten Kupplung mit progressivem Strom dafür gesorgt, daß
im Sinne der Betriebssicherheit das übertragbare Drehmoment wesentlich größer ist,
als es im allgemeinen vom Motor geliefert wird. Bei diesen Anforderungen würde eine
übliche Kupplung zu hart wirken.
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Die Verwendung von Transistoren für Steuerzwecke ist zwar vielfach
bekannt, jedoch bringt sie gerade im vorliegenden Fall besondere Vorteile, da niedrige
Spannungen zur Verfügung stehen und es Transistoren mit Stromstärken von zwei bis
zehn Ampere gibt, die also auch leistungsmäßig für die Speisung derartiger Kupplungen
geeignet sind. Darüber hinaus ist die Ausschaltung der Anheizzeit bei Röhren sowie
deren Stoßempfindlichkeit ausgeschaltet.
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In den Zeichnungen sind in der Beschreibung näher erläuterte Ausführungsbeispiele
der Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt.
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F i g. 1 zeigt eine einfache Schaltung, bei der das Grundprinzip
der Vorrichtung nach der Erfindung zur Anwendung gelangt; F i g. 2 und
3 sind graphische Darstellungen der zeitabhängigen Stromänderung in der Magnetwicklung,
die die Kupplung in Abhängigkeit von verschiedenen Werten eines Widerstandes des
Steuerkreises beeMußt; F i g. 4, 7, 9, 12 und 15 zeigen Abwandlungen
der Schaltung nach F i g. 1;
F i g. 5, 6, 8, 10, 11, 13, 14,
16 und 17 sind graphische Darstellungen der Stromänderungen, die mit
Hilfe der vorstehend genannten Schaltungen erzielbar sind, wobei I die Stromstärke
in der Magnetwicklung der Kupplung und T die Zeit bedeutet.
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In der einfachen Schaltung nach F i g. 1 der Vorrichtung nach
der Erfindung werden Widerstände mit positiver oder negativer Temperaturbeizahl
benutzt, die im Betrieb eine bedeutende Temperatursteigerung erfahren. Diese Schaltung
ist vor allem dann anwendbar, wenn eine ausreichend lange Zeitspanne für die Stromunterbrechung
vorgesehen ist, damit diese Widerstände vor der stromführenden Periode annähernd
auf Umgebungstemperatur zurückkehren können.
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Bei dieser Schaltung ist der Verbraucherkreis durch die Magnetwicklung
2 einer elektromagnetisch betätigten Kupplung dargestellt, die von einer Gleichstromquellel
aus über den PNP-Leistungstransistor3 mit der Basis 4, dem Emitter 5 und
dem Kollektor 6
gespeist wird. Die Basis 4 ist mit einem Spannungsteiler verbunden,
der sich einerseits aus den Widerständen 8 (von ziemlich hohem Wert) und
9 und andererseits aus dem Widerstand 10 zusammensetzt. Der Schalter
7 erlaubt die Speisung dieses Spannungsteilers, seine Betätigung steuert
das Auftreten oder das Verschwinden des zu überwachenden Stromes. Der Widerstand
10 kann ein nicht linearer Widerstand und namentlich mit positiver Temperaturbeizahl
sein. In gewissen Fällen kann sein Wert sehr groß oder sogar unendlich sein. Der
Widerstand 9 ist von der Bauart mit negativer Temperaturbeizahl.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Der Leistungstransistor
3 ist derart gewählt, daß er nur einen sehr schwachen Kollektorstrom durchläßt,
wenn keine Polarisation zwischen der Basis 4 und dem Emitter 5
eingeschaltet
ist.
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Wenn der Schalter 7 offen ist, liegt keine Spannung zwischen
der Basis 4 und dem Emitter 5. Es fließt also nur ein schwacher Reststrom
durch die Magnetwicklung 2.
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Wünscht man das Auftreten des fortschreitenden Stromes hervorzurufen
und schließt man folglich den Schalter 7, dann legt man eine Spannung zwischen
die Basis 4 und den Emitter 5, da aber der kalte Widerstand 9 nur
einen schwachen Strom hindurchläßt, korrigiert der Widerstand 8 gegebenenfalls
die ursprünglich angelegte Spannung. Es fließt also ein Strom durch die Magnetwicklung
2, wenn die zwischen der Basis 4 und dem Emitter 5 gelegte Spannung ausreicht,
um den Strom im Kollektor 6 hervorzurufen.
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Wenn sich dann der Widerstand 9 allmählich erhitzt, wird er
für den Strom immer mehr durchlässig, und auf diese Weise wächst der Spannungsunterschied
zwischen der Basis 4 und dem Emitter 5 des Leistungstransistors
3. Dadurch ergibt sich eine Zunahme des Stromes in der Magnetwicklung 2,
deren Speisespannung den Wert der von der Stromquelle gelieferten Spannung abzüglich
des Spannungsabfalls im Leistungstransistor 3 erreicht.
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Ist der Widerstand 10 von der nicht linearen Bauart und insbesondere
mit positiver Temperaturbeizahl behaftet, dann ist es möglich, das Gesetz der Stromschwankung
in der Magnetwicklung 2 in Ab-
hängigkeit von der Zeit zu korrigieren. Der
Widerstand 8 kann veränderlich sein, und seine Kennlinien sind alsdann an
die Kontrollparameter gebunden.
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Man erzielt auf diese Weise die Kurven der zeitabhängigen Stromschwankung
in der Magnetwicklung 2, wie sie in der F i g. 2 für einen Widerstand
8
von großem Ohmwert und in der F i g. 3 gegeben sind, wenn
8 einen mittleren Wert aufweist. Die Kurven gehen von der Abszisse an einer
Stelle aus, die dem Zeitpunkt des Schließens des Schalters 7 entspricht.
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In gewissen Fällen kann es vorteilhafter sein, entweder nur den Widerstand
10 oder diesen und den Widerstand 8 in Abhängigkeit vom Kontrollparameter
veränderlich zu machen.
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In der nunmehr beschriebenen Schaltung gemäß der F i g. 4 wird
eine Magnetkern-Selbstinduktionsspule 11 mit großer Zentkonstante LIR von
der Größenordnung einer Sekunde oder darüber hinaus benutzt, um das Auftreten des
Stromes im Schaltkreis zu kontrollieren. Die Gleichstromquelle 1 speist
die
Magnetwicklung 2 der elektromagnetisch betätigten Kupplung, deren Strom durch die
Wirkung der Basis 4, des Emitters 5 und des Kollektors 6 des PNP-Leistungstransistors
3 gesteuert wird. An der veränderlichen Selbstinduktionsspule 11,
die an die Parameter gebunden ist, von denen die zu steuernde Erscheinung abhängig
ist, liegen im Parallelschluß ein Widerstand 8, der veränderlich sein kann
und an dieselben Parameter gebunden ist, sowie eine Verbindungsdiode 12, die derart
geschaltet ist, daß sie keinen Strom leitet, wenn der Schalter 7 geschlossen
ist, der die Magnetwicklung 2 unter fortschreitend wachsenden Strom versetzt.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Schließt man den Schalter
7, um das Auftreten des fortschreitend wachsenden Stromes zu erzielen, so
verbindet man dadurch die Basis 4 des Leistungstransistors 3 mit dem negativen
Pol der Gleichstromquelle 1 über die Selbstinduktionsspule 11, die
sich der Stromschwankung widersetzt, wodurch sich in der Basis 4 eine fortschreitende
Zunahme des Stromes ergibt, die vom Verhältnis LIR der Selbstinduktionsspule
11
sowie vom absoluten Wert dieses Widerstandes R und des Widerstandes
8 abhängt, wobei letzterer es gestattet, sehr rasch einen vorbestimmten Stromwert
zu erreichen.
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Dadurch ergibt sich, wie bei der in F i g. 1 dargestellten
Schaltung, eine fortschreitende Zunahme des Stromes in der vom Kollektor
6 gespeisten Magnetwicklung 2. Auf diese Weise erhält man die Kurven der
F i g. 5, wenn der Widerstand 8 einen hohen Olunwert hat, und der
F i g. 6, wenn der Widerstand 8 einen kleineren Wert hat. Die Kurven
gehen von der Abszisse in einem Punkte aus, der dem Zeitpunkt des Schließens des
Schalters 7 entspricht.
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Beim öffnen des Schalters 7 wird der die Basis 4 speisende
Strom ausgeschaltet, was die plötzliche Unterbrechung des vom Kollektor
6 auf die Magnetwicklung 2 übertragenen Stromes zur Folge hat. Die Verbindungsdiode
12 schützt den Leistungstransistor 3 vor dem induzierten Gegenstrom, der
durch das Öffnen des Schalters 7 erzeugt wird.
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Die in der F i g. 7 dargestellte Schaltung gestattet das Erzielen
einer Kurve der zeitabhängigen Änderung des Stromes, die zwischen einem kleinen
Wert und einem Höchstwert der Linearität nahekommt. Diese Schaltung besteht aus
einem PNP-LeistunLystransistor 3, der in der gleichen Weise wie äer Leistungstransistor
in F i g. 4 gespeist wird, mit Ausnahme der Basis 4, die mit dem Kollektor
25 eines zweiten PNP-Transistors 24 sowie mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle
über einen Widerstand 13
verbunden ist. Der Emitter 26 des Transistors
24 ist dabei mit dem positiven Pol und seine Basis 27 über einen Widerstand
23 einerseits mit einem hochkapazitiven Kondensator 15, dem Kollektor
19 eines dritten PNP-Transistors 16 von hohem innerem Widerstand und
einer im Zener-Effekt benutzten Kopplungsdiode 14, andererseits über einen schwachen
Widerstand 20 zum Schutze gegen überströme mit einem Schalter 7
verbunden.
Das Auftreten des allmählich wachsenden Stromes in der Magnetwicklung 2 wird durch
das Öffnen dieses Schalters 7 ausgelöst.
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Der Emitter 18 des dritten Transistors 16 ist mit dem
negativen Pol verbunden, die Basis 17 führt zum Schieber eines mittelwertigen
Spannungsteilers 22, der an die Klemmen der Gleichstromquelle 1 über den
Widerstand 21 mit negativer Temperaturbeizahl angeschlossen ist, der einen notwendigen
Umgebungstemperaturausgleich an der Basis 17 des Transistors 16 gewährleistet.
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Zur Beschreibung der Wirkungsweise wird jetzt von der geschlossenen
Stellung des Schalters 7 ausgegangen, die einer Ausrückperiode im Falle einer
elektromagnetisch betätigten Kupplung entspricht. In diesem Augenblick wird ein
hoher, durch die Kopplungsdiode 14 beschränkter Potentialunterschied mittels des
sehr schwachen Widerstandes 20 und des Widerstandes 23 zwischen die Basis
27 und den Emitter 26 des Transistors 24 gelegt, der auf diese Weise
einen starken Strom des Kollektors 25 übernimmt. Der Spannungsabfall ün Widerstand
13 ist so groß, daß die zwischen der Basis 4 und dem Emitter 5
des
Leistungstransistors 3 gelegte Spannung sehr schwach ist. Der Kollektor
6 des Leistungstransistors 3 läßt somit nur einen sehr schwachen Strom
zur Magnetwicklung 2 hindurch, der also nicht ausreicht, um die Kupplung einzurücken.
Der Kondensator 15 wird über den Widerstand 20 auf eine durch die Kopplungsdiode
14 beschränkte Spannung aufgeladen.
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Wenn man den Schalter 7 öffnet, um das Auftreten des fortschreitend
wachsenden Stromes auszulösen, dann entlädt sich der Kondensator 15 fortschreitend
einerseits über den möglichst hochwertigen Widerstand 23 in den Grundkreis
des Transistors 24 und andererseits in den Kreis des Kollektors 19 des Transistors
16 von großem innerem Widerstand. Diese Entladung ist zweckmäßig größer als
die erste, wenn man eine gute Linearität wünscht. Das an die Basis 17 angelegte
Potential ist durch den an die Kontrollparameter gebundenen Spannungsteiler 22 festgelegt,
und der Strom im Kollektor 19 wird alsdann in weiten Grenzen der an den Kollektor
angelegten Spannung konstant sein, und zwar wegen der besonderen Charakteristik
Stromstärke--Stromspannung des Kollektors, die, nahezu waagerecht verläuft und eine
im wesentlichen lineare, zeitabhängige Entladung des Kondensators 15 gewährleistet.
Da das zwischen der Basis 27 und dem Emitter 26 des Transistors 24
angelegte Potential fortschreitend abnimmt, nimmt auch der Strom im Kollektor
25 sowie der Spannungsabfall ün Widerstand 13 ab. Das zwischen der
Basis 4 und dem Emitter 5 angelegte Potential und der durch die Magnetwicklung
2 fließende Strom des Kollektors 6 des Leistungstransistors 3 nehmen
somit zu.
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Das öffnen des Schalters 7 wird auf diese Weise in der Magnetwicklung
2 das Auftreten eines Stromes verursachen, der fortschreitend wächst und wegen der
Entladungscharakteristik des Kondensators 15 im Transistor 16 zwischen
zwei Grenzwerten eine nahezu lineare Gesetzmäßigkeit erreichen. Wenn das beün Schließen
des Schalters 7 an den Kondensator 15 angelegte Potential ausreichend
ist (Ausrückperiode im Falle einer elektromagnetisch betätigten Kupplung), dann
vergeht beim öffnen dieses Schalters 7 eine gewisse Totzeit vor dem Auftreten
des Stromes, und zwar wegen der Sättigung der Transistoren, die darauf zurückzuführen
ist, daß die Widerstände mit den Elektroden in Reihe liegen. Diese Totzeit wird
in der Schaltung gemäß der F i g. 15 ausgenutzt.
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Man erhält auf diese Weise die in der F i g. 8 dargestellte
Kurve, die hier von der Abszisse, in einem Punkt ausgeht, der dem Zeitpunkt des
Schließens des Schalters 7 entspricht.
In einer Abwandlung
der in F i g. 7 dargestellten Schaltung ist ein ziemlich schwacher, fester
oder mit dem Kontrollparameter veränderlicher Widerstand an Stelle der unmittelbaren
Verbindung zwischen dem Emitter 18 des Transistors 16 und den positiven
Pol der Gleichstromquelle 1 eingeschaltet. Diese Ab-
wandlung gestattet
gegebenenfalls, den Widerstand 21 und den Spannungsteiler 22 nur zum Temperaturausgleich
und zur besseren Stabilisierung der Schaltung zu benutzen.
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Diese Abwandlung gestattet nötigenfalls sogar den Fortfall des Temperaturausgleichs
durch den Widerstand 21, der alsdann durch eine unmittelbare Verbindung oder einen
gewöhnlichen Widerstand ersetzt wird. In einem ziemlich weiten Bereich der zwischen
der Basis und dem Emitter des Transistors 16 angelegten Spannung hängt nämlich
die Gesetzmäßigkeit der Stromänderung im Leistungstransistor 3 vor allem
vom Wert des mit dem Emitter 18 in Reihe geschalteten Widerstandes ab.
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Die in der F i g. 9 dargestellte Schaltung besitzt einen Schalter,
dessen beweglicher Teil 71 das Auftreten oder das Verschwinden des zu steuernden
Stromes schaltet, je nachdem er die Verbindung mit den festen Kontakten
29 bzw. 28 herstellt. Infolgedessen wird, wenn der Teil
71 und der Kontakt 29 getrennt sind, der Leistungskreis des Leistungstransistors
3 nicht mehr von der Gleichstromquelle 1
über den Emitter
5 und den Kollektor 6 gespeist. Ohne Rücksicht auf die Stellung des
Teiles 71 des Schalters ist die Basis 4 einerseits mit dem Kollektor
25 des zweiten Transistors 24 und andererseits mit dem negativen Pol über
einen Satz von Widerständen 30 und 31 verbunden, von denen der Widerstand
30
für gewisse Anwendungsfälle ein Widerstand mit hoher positiver Temperaturbeizahl
ist. Dieser Widerstand 30 kann sehr einfach aus dem Glühfaden einer elektrischen
Glühlampe bestehen. Der Emitter 26 des Transistors 24 ist ebenfalls mit dem
beweglichen Teil 71 des Schalters verbunden. Die Basis 27 ist durch
den Widerstand 32 am festen Kontakt 28 mit der einen Belegung des
Kondensators 15 und durch einen veränderlichen Widerstand 33, der
an den einen der Kontrollparameter gebunden ist, mit dem Schieber eines schwachen
Spannungsteilers 34 verbunden, der selbst an den Kontrollparameter gebunden sein
kann.
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Ein schwacher Widerstand 35 ist zwischen den Emitter
5 und den Kollektor 6 des Leistungstransistors 3
geschaltet.
Eine Verbindungsdiode 12, die derart orientiert ist, daß sie den Strom nicht leitet,
wenn dieser normalerweise durch die Magnetwicklung 2 fließt, liegt an der Magnetwicklung
im Nebenschluß.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Wenn der bewegliche Teil
71 des Schalters am festen Kontakt 28 anliegt, kann der Kondensator15
nicht geladen bleiben, denn wenn dies der Fall wäre, würde er sich über den Leistungstransistor
3 und den Widerstand 35
und auch über den Widerstand 34 in die Magnetwicklung2
entladen. Kein Potentialunterschied von Belang ist also an die einzelnen Elektroden
der Transistoren angelegt und kein Strom fließt durch die Magnetwicklung 2. Dies
ist die Ruheperiode.
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Wird zum Erzielen des Auftretens des fortschreitend wachsenden Stromes
in der Magnetwicklung 2 der bewegliche Teil 71 des Schalters von dem Kontakt28
auf den Kontakt29 umgelegt, wobei der Kondensator 15 nicht geladen ist, so
wird dadurch über den Widerstand 32 eine starke Polarisation zwischen die
Basis 27 und den Emitter 26 gelegt, so daß ein starker Strom durch
den Kollektor 25 fließt. Der Spannungsabfall in den Widerständen
30 und 31 ist so gewählt, daß die Polarisation der Basis 4 des Leistungstransistors
3 von der Größenordnung ist, die dem Auftreten des Kollektorstromes im Leistungstransistor
3 entspricht. Der Strom in der Magnetwicklung 2 wäre sehr schwach, wenn nicht
der Widerstand 35 den Leistungstransistor 3 nebenschließen und auf
diese Weise beim Umlegen des beweglichen Teiles 71
des Schalters auf den Kontakt
29 einen Mindestanfangsstrom ergeben würde. Da sich der Kondensator
15 über den Widerstand 33 und auch etwas über den mit dem Grundsendekreis
des Transistors 24 in Reihe liegenden Widerstand 32 fortschreitend auflädt,
nehmen die Polarisation der Basis 27 sowie der Strom des Kollektors
23 fortschreitend ab. Der Spannungsabfall in den Widerständen 30 und
31 nimmt ab, die Polarisation der Basis 4 sowie der Strom des Kollektors
6 nehmen zu. Wie in den vorigen Beispielen erhält man auf diese Weise eine
fortschreitende Änderung des Stromes in der Magnetwicklung 2 mit raschem Start bis
auf einen im Voraus gewählten Wert. Die erzielte Kennlinie ist in der F ig.
10 dargestellt. Sie geht von der Abszisse in einem Punkt aus, der dem Zeitpunkt
entspricht, in dem der bewegliche Teil 71 des Schalters auf den Kontakt
29 umgelegt wird.
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Ist 30 ein Widerstand mit hoher positiver Temperaturbeizahl
und wird in diesem Falle der bewegliche Teil 71 des Schalters auf den Kontakt
29 umgelegt, so ist der Kondensator 15 noch nicht geladen, und der
Strom des Kollektors 25 hat seinen Höchstwert. Dieser Widerstand
30 hat noch nicht die Zeit gehabt, sich zu erhitzen, sein Ohmwert ist also
gering. Durch Sättigung des Grundkreises des Transistors 24 infolge des in Reihe
liegenden Widerstandes 32 ergibt sich hieraus ein ungenügender Spannungsabfall
in den Widerständen 30 und 31, so daß die Speisespannung nicht aufgenommen
werden kann. Es besteht also eine nennenswerte Polarisation an der Basis 4, und
folglich fließt ein erheblicher Strom durch die Magnetwicklung 2.
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Der sich erhitzende Widerstand 30 nimmt einen wachsenden Wert
an, und der Strom in der Magnetwicklung 2 nimmt rasch ab, um alsdann wieder unter
dem Einfluß der Ladung des Kondensators 15 anzusteigen.
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Auf diese Weise erhält man zu Beginn einen bedeutenden Stromstoß,
der das Zusammenrücken der Anker eines Elektromagnets begünstigen kann, ohne daß
nach dem Zusammenrücken das übertragene Moment zu groß wäre, da der Strom inzwischen
auf einen geringen Wert gesunken ist, um alsdann wieder anzusteigen. Dies ist aus
der F ig. 11 zu sehen, in welcher die Kennlinie an der Abszisse in einem
Punkt beginnt, der dem Zeitpunkt entspricht, in dem der bewegliche Teil
71 des Schalters auf den Kontakt 29 umgelegt wird.
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Wenn der bewegliche Teil 71 des Schalters vom Kontakt
29 auf den Kontakt 28 übergeht, verschwindet der Strom in der Magnetwicklung
2 sehr rasch, wenn der Kondensator 15 keine große Kapazität bzw. Aufnahmefähigkeit
besitzt. Die Verbindungsdiode 12 schützt den Leistungstransistor vor dem induzierten
Strom, der durch die Unterbrechung des Stromes in der Magnetwicklung 2 erzeugt wird.
In
einer nicht weiter dargestellten Abwandlung können der Spannungsteiler34 und der
Widerstand 33 mit annähernd gleichen Ergebnissen fortgelassen werden, da
das Aufladen des Kondensators in diesem Augenblick über den Transistor 24 erfolgt.
In diesem Falle wird der Widerstand 32 veränderlich und an die Kontrollparameter
gebunden sein.
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Die in der F i g. 12 dargestellte Schaltung gestattet mit aller
Zuverlässigkeit das gleichzeitige Erzielen einer Änderung der Geschwindigkeit, mit
der der Strom auftritt, einer Änderung der Gesetzmäßigkeit, mit der diese Änderung
der Geschwindigkeit verläuft, und einer Begrenzung des höchst zulässigen Stromes
sowie nötigenfalls eines bedeutenden Stromstoßes zu Beginn, wobei der Kontrollparameter
gegebenenfalls nur auf einen einzigen veränderlichen Widerstand 36
einwirkt,
doch ist diese Beschränkung für die Beschreibung nicht in Erwägung gezogen worden.
Das Auftreten des fortschreitend wachsenden Stromes wird durch das Schließen eines
einfachen Schalters 7
erzielt.
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In dieser Schaltung ist die Gleichstromquelle mit 1,
die Magnetwicklung
mit 2, die Basis mit 4, der Emitter mit 5, der Kollektor mit 6 und
die Gesamtheit des Leistungstransistors mit 3 bezeichnet. Der Emitter5 ist
mit dem isolierten Ende des Positivpoles eines Unterbrechers 1 verbunden,
dessen Betätigung das Auftreten oder Verschwinden des zu steuernden Stromes über
einen schwachen veränderlichen, zweckmäßig mit Abgriffen versehenen Widerstand
36 schaltet. Ein Widerstand 35 verbindet das Ende des Widerstandes
36 mit dem Kollektor 6. Die Verbindungsdiode 12 liegt im Nebenschluß
an der Magnetwicklung 2. Die Basis 4 liegt am Emitter 26 eines zweiten Transistors
24, dessen Kollektor 25 über den Widerstand 30 an den positiven Pol
angeschlossen ist. Der Widerstand 37 und der in Reihe liegende Kondensator
38 mittleren Wertes sind zwischen den negativen Pol der Gleichstromquelle
1 und die Basis 4 des Leistungstransistors 3 geschaltet. Der Widerstand
37 und der Kondensator 38 sind nur in einem Sonderfall des Stromflußgesetzes
erforderlich.
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Der Widerstand 32 verbindet die Basis 27 mit dem einen
Anschluß 40 des Kondensators 15. Dieser Anschluß 40 ist mit einem Spannungsteiler
34 von geringem Ohmwert durch einen an den Kontrollparameter gebundenen veränderlichen
Widerstand 33 und durch eine Diode 41 verbunden. Der andere Anschluß
39 steht mit dem vom positiven Pol des Schalters 7 isolierten Kontakt
in Verbindung.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Wenn der Schalter 7 zum Ausschalten
des Stromes aus der Magnetwicklung 2 geöffnet ist, befindet sich der mit dem isolierten
Kontakt des Schalters verbundene Anschluß 39 des Kondensators 15 unter
demselben Potential wie der negative Pol der Gleichstromquelle 1 über den
Widerstand 35 und den Leistungstransistor 3, der mit der Magnetwicklung
2 in Reihe liegt. Dader Kreis des Emitters 5 offen ist, fließt kein nennenswerter
Strom durch die Magnetwicklung 2.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise wird von der Periode ausgegangen,
in der der Strom auftritt und angenommen, daß der Widerstand 37 und der Kondensator
38 nicht angeschlossen sind.
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Durch das Schließen des Schalters 7, der das Auftreten des
Stromes in der Magnetwicklung 2 auslöst, wird der Anschluß 39 des Kondensators
15, der vorher unter negativem Potential stand, an den positiven Pol angeschlossen,
wodurch ein Stromfluß durch den Widerstand 33 ausgelöst wird, der beim Schließen
des Schalters das Potential des Anschlusses 40 und folglich das der Basis
27 auf ein stark positives Potential bringt, so daß kein nennenswerter Strom
durch den Emitter-Kollektorkreis des Transistors 24 fließt. Infolgedessen wird keine
Polarisation zwischen der Basis 4 und dem Emitter 5 des Leistungstransistors
3
angelegt und lediglich ein sehr schwacher Strom fließt somit in den Emitter-Kollektorkreis
5, 6 des Leistungstransistors, sobald der Schalter 7 geschlossen ist.
Der Widerstand 35 speist unmittelbar die Magnetwicklung 2 und liefert
eine Minimalstromstärke für den Beginn.
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Da sich der Kondensator 15 fortschreitend auflädt, nimmt der
Spannungsabfall im Widerstand 33 ab. Eine fortschreitend wachsende Polarisationsspannung
geeigneter Richtung -wird- also vom Widerstand 32
zwischen der Basis
27 und dem Emitter 26 des Transistors 24 angelegt, so daß der Strom
des Emitters 26
und der Basis 4 alsdann zunimmt, desgleichen auch der Strom
des Kollektors 6 des Leistungstransistors 3
über die Magnetwicklung
2, was das angestrebte Resultat ist. Die Verbindung der Basis 4 und des Emitters
5 des Leistungstransistors 3 dient als Ladewiderstand. Der Widerstand
36 bewirkt einen Spannungs-, abfall, der sich der Änderung des Potentials
der Basis 4 in bezug auf den Emitter 5 widersetzt. Das Gesetz der zeitabhängigen
Änderung des Stromes der Magnetwicklung 2 hängt also unter anderem vom Ohmwert des
Widerstandes 36 sowie vom Wert des Widerstandes 33 und von der Einstellung
des Spannungsteilers 34 ab.
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Der Widerstand 30 dient hauptsächlich zur Verringerung der
Wärmezerstreuung am Kollektor 25.
Beim öffnen des Schalters 7, der
bei angeschlossenem oder nicht angeschlossenem, den Widerstand 37
und den
Kondensator 38 enthaltendem Kreis das Verschwinden des Stromes in die Magnetwicklung
2 bewirken soll, hat der Kondensator 15 je nach der Einstellung des Spannungsteilers
34 das Bestreben, sich zu entladen oder eine der vorigen entgegengesetzte Ladung
einerseits über die mit der Magnetwicklung 2 in Reihe liegenden Widerstände
35 und 36 und des Leistungstransistors 3 und andererseits über
den den Widerstand 33 nebenschließenden Spannungsteiler 34 und die Diode
41 aufzunehmen. Ist dieser rasche Vorgang beendet, dann fließt kein Strom mehr durch
die Magnetwicklung 2. Damit ist wieder der Ausgangspunkt erreicht.
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Das Fehlen der Diode 41 würde beim öffnen des Schalters
7 das Verschwinden des Stromes in der Magnetwicklung 2 verzögern, da der
Entladungsstrom des Kondensators 15 durch den Widerstand 33 hindurchfließen
muß. Die Verbindungsdiode 12 schützt den Leistungstransistor 3 vor dem beim
Ausschalten des Stromes induzierten Strom.
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Wird nun angenommen, daß der Widerstand 37
und der Kondensator
38 angeschlossen sind, dann ist der Kondensator 38 entladen,'wenn
der Schalter 7
offen ist. Wenn sich dieser wieder schließt, dann hat dieser
Kondensator 38 das Bestreben, sich einerseits über die Basis 4 und den Emitter
5 sowie den Widerstand 37 andererseits aufzuladen. Hieraus ergibt
sich ein Stromstoß, der durch die Basis 4 geht, und folglich ein Stromstoß, der
durch den Kollektor 6 geht, bis der Kondensator vollständig aufgeladen ist.
Diese Anordnung kann wie im Falle der F i g. 9 für das
Anziehen
der Anker einer elektromagnetisch betätigten Kupplung vorteilhaft sein.
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Die F i g. 13 zeigt typische Kurven, die mit der Schaltung
gemäß der F i g. 12 für verschiedene Ohmwerte des Widerstandes
36 erreicht wurden. Die ausgezogene Kurve zeigt die Änderung, wenn der Ohmwert
des Widerstandes 36 Null ist, und die gestrichelte Kurve zeigt die Änderung
an, wenn dieser Wert ein anderer als Null ist und angenommen wird, daß der Widerstand
37 und der Kondensator 38 nicht in Frage kommen. Der punktierte Strich
zeigt die anfängliche Stromstärke an. Der Ausgangspunkt der Kurve an der Abszisse
entspricht dem Zeitpunkt, in welchem der Schalter 7 geschlossen wird.
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Wie man sieht, ist in diesem Falle der Maximalstrom schwächer, da
der Widerstand 36 in Reihe liegt und einen Spannungsabfall bewirkt, der von
dem zu steuernden Parameter abhängt. Diese Anordnung kann geeignet sein, Strom einzusparen
und das Einrücken der Kupplung sanfter zu gestalten, wenn der Motor nicht sehr beschleunigt
ist.
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Die F i g. 14 zeigt eine Kurve, die in der Schaltung C Cremäß
der F i g. 12 mit dem Widerstand 37 und dem Kondensator 38 erzielt wird,
was beim Schließen des Schalters 7 einen Stromstoß ergibt.
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In nicht weiter dargestellten Abwandlungen kann die Verbindungsdiode
12 entfallen, wie auch in vielen Fällen der Spannungsteiler 34. Der Widerstand
33
und die Diode 41 sind alsdann unmittelbar zwischen den Anschluß 40 und
den negativen Pol der Gleichstromquelle 1 eingeschaltet.
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Eine nicht dargestellte Abwandlung der F i g. 12 gestattet
es, wenn für die Änderung des Widerstandes 36 ein mehrstufiger Umschalter
benutzt wird, den Leistungstransistor 3 dadurch zu überbrücken, daß man den
letzten Kontakt, der der Höchstbeschleunigung des Motors entspricht, unmittelbar
an den Kollektor 6 anschließt, wobei der bewegliche Kontaktarm des Umschalters
in diesem Falle mit dem vom positiven Pol des Schalters 7 isolierten Kontakt
verbunden wird.
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Die Schaltung gemäß der F i g. 15 ist eine Ab-
wandlung
zu F i g. 12 und soll entweder die Verwendung eines schwachen Kondensators
15 oder das Erzielen einer längeren Fortschrittlichkeit von beispielsweise
10 Sekunden oder darüber hinaus gestatten. Dieses Ergebnis wird mit Hilfe
eines Transistors 42 erreicht, der einen zusätzlichen Stromgewinn liefert und zwischen
den Transistor 24 und den Kondensator 15 eingeschaltet ist.
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Ferner wird die Aufgabe der Diode 41 aus F i g. 12, die die
rasche Unterbrechung des Stromes gestattet, von einem zusätzlichen Kontakt28 am
Schalter übernommen, der auf diese Weise zum Stromwender wird. Diese letztere Abwandlung
kann durch Preiserwägungen bedingt sein. Das Auftreten des fortschreitend wachsenden
Stromes wird bei dieser Schaltung durch das Umlegen des beweglichen Teiles
71
des Schalters auf den Kontakt 29 bewirkt.
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Der Widerstand 37 und der Kondensator 38 aus Fig. 12
sind fortgelassen worden, können aber, wenn ein Stromstoß erforderlich ist, entweder
zwischen den Kollektor25 des Transistors24 und den negativen Pol der Gleichstromquelle
1 oder zwischen den Kollektor 43 des Transistors 42 und die Gleichstromquelle
1 eingeschaltet werden.
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Die Schaltung wird nun in ihrem dem Transistor 24 vorgeschalteten
Teil näher beschrieben werden. Die Basis 27 des Transistors 24 ist mit dem
Emitter 44 des Transistors 42 verbunden, dessen Kollektor 43 an den negativen Pol
der Gleichstromquelle 1 über einen Widerstand 31 angeschlossen ist.
Der Emitter 44 kehrt also über den Transistor 24 und den Leistungstransistor
3 zum Kontakt 29 zurück, wo die Widerstände 35 und
36 des Leistungstransistors 3
auslaufen. Die Basis 45 ist mit dem Kondensator
15
durch den Widerstand 32 und mit dem negativen Pol durch den ziemlich
hochwertigen Widerstand 46 verbunden.
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Der andere Anschluß des Kondensators 15 führt zum negativen
Pol. Ein an den Kontrollparameter gebundener veränderlicher Widerstand
33 liegt im Nebenschluß an diesem Kondensator 15, der auf diese Weise
an die Klemmen der Gleichstromquelle über den Schutzwiderstand 47 von geringem Ohmwert
angeschlossen wird, wenn der bewegliche Teil 71
des Schalters vom Kontakt
29 auf den Kontakt 28
übergeht.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung mit dieser Schaltung ist folgende:
Wenn der bewegliche Teil 71 des Schalters auf dem Kontakt 28 ruht,
lädt sich der Kondensator 15 über den Schutzwiderstand47 auf einen Wert auf,
der dem der Gleichstromquelle 1 nahekommt. Kein Strom fließt jedoch durch
den Stromkreis der Magnetwicklung 2, denn der Kontakt 29 ist vom beweglichen
Teil 71 getrennt.
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Um das fortschreitend wachsende Auftreten des Stromes der Magnetwicklung
2 zu erzielen, braucht nur der bewegliche Teil 71 des Schalters auf den Kontakt
29 geschoben zu werden. In diesem Augenblick wird der Strom durch den Widerstand
35 unmittelbar an die Magnetwicklung2 geleitet, was einen Mindestwert für
den Start ergibt. Der zuvor aufgeladene Kondensator 15 beginnt übrigens,
sich einerseits in den an die Kontrollparameter gebundenen Widerstand
33
und andererseits über den Widerstand 32 in den Kreis der Transistoren
zu entladen. Es tritt somit ein Spannungsunterschied zwischen der Basis 45 und dem
Emitter 44 auf, der nach Verstärkung des Stromes durch den Transistor 24 das Auftreten
und fortschreitende Wachsen des Kollektorstromes des Leistungstransistors
3 und folglich des Stromflusses der Magnetwicklung 2 bewirkt, wodurch das
angestrebte Ergebnis erreicht ist.
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Die Widerstände 30 im Kollektorkreis des Transistors 24 und
31 im Kollektorkreis des Transistors 42 dienen hauptsächlich zur Verringerung
der thermischen Streuung an den Kollektoren dieser Transistoren.
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Die gegenwärtig benutzten Transistoren haben eine Schwelle für das
Erscheinen des Kollektor-Emitterstromes zum Steuern durch eine Grundspannung. Der
Wert dieser Schwelle hängt übrigens von der Temperatur ab. In der Schaltung gemäß
der F i g. 15 addiert man nun die Schwellenwerte der drei Transistoren, und
in diesem Falle müßte eine gewisse Zeit nach der Bedienung des beweglichen Teiles
71 des Schalters abgewartet werden, bis die Entladung des Kondensators
15 ausreichend geworden ist, um zwischen der Basis 45 und dem positiven Pol
die nötige Spannung zum Überschreiten der Schwelle zu erzeugen.
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Auf diese Weise würde man die Kurve gemäß der F i g. 16 erhalten.
Der Punkt, wo die Kurve von der Abszisse ausgeht, zeigt den Zeitpunkt an, in dem
der
bewegliche Teil 71 des Schalters auf den Kontakt
29
geschoben wird. Gewünschtenfalls kann der oben angegebene Nachteil dadurch
vermieden werden, daß man einen Widerstand 46 benutzt, der die Aufgabe eines Spannungsteilers
mit dem Widerstand 32 übernimmt. Infolgedessen wird selbst, wenn der Kondensator
15 auf die Spannung der Gleichstromquelle 1
aufgeladen ist, an die
Basis 45 eine Spannung angelegt, die dem Entstehen der Kennlinie entspricht.
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Die Widerstände 32 und 46 bestehen zweckmäßig aus Werkstoffen,
die für die Umgebungstemperatur empfindlich sind, so daß sie teilweise den Einfluß
der Temperatur auf die Transistoren ausgleichen. So kann der Widerstand
32 ein Widerstand bzw. ein Satz von Widerständen mit negativer Temperaturbeizahl
sein.
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Auf diese Weise werden solche fortschreitende Steigerungen des Stromes
erzielt, wie sie aus F i g. 17
ersichtlich sind.
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In allen oben beschriebenen Schaltungen kann in nicht weiter dargestellten
Abwandlungen die Magnetwicklung, in der der Strom fortschreitend schwanken soll,
nicht im Kollektorkreis des Leistungstransistors, sondern im Emitterkreis liegen,
wobei die in diesem Falle erzielten Stromformen wie auch die erzielte Zeit der fortschreitenden
Änderung ziemlich verschieden sein können. In diesem Falle ist das Änderungsgesetz
des Stromes oft beständiger, denn die Eigencharakteristik des Transistors spielt
weniger mit, und das Emitterpotential verläuft im wesentlichen wie das Potential
der Basis. Diese Schaltung ist besonders vorteilhaft, wenn die Form der aus der
Angriffsstufe stammenden Stromveränderung nicht oder nur wenig abweichen soll.
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Es ist auch oft angebracht, Transistoren verschiedener unterschiedlicher
Polaritäten gemeinsam zu benutzen, um die Zahl der Hilfselemente, z. B. der Widerstände
zu verringern. Ferner kann der Austausch eines Schalters »7« gegen eine Transistorkopplung
für eine rein elektronische Schaltung durch die Benutzung eines NPN-Transistors
in einer Schaltung begünstigt werden, die PNP-Transistoren, oder umgekehrt, benutzt.
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Die üblichen Temperaturausgleichssysteme, selbst wenn diese nicht
besonders beschrieben worden sind, können entweder an der Basis oder am Emitter
eines oder mehrerer Transistoren zur Anwendung gelangen, so oft dies die Schaltung
zuläßt.
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Gewisse Widerstände können durch solche Widerstände ersetzt sein,
die spannungsempfindlich sind oder eine Gleichrichterwirkung aufweisen, um die Gesetze
der Stromänderung abzuändern.
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Für besondere Anwendungen ist es auch möglich, im Reihen- oder Parallelschluß
mit Bauteilen der Schaltungen ganze Stromkreise einzuschalten, die als Erzeuger
von Strömen verschiedener Formen bekannt sind, wie beispielsweise treppenstufenförmige,
dreieckige, sinusförmige und ähnliche Signale, die sich bei der fortschreitenden
Änderung des Stromes überlagern.
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In den Schaltungen gemäß den F i g. 7, 9, 12, 15
bewirkt
die Bedienung des Schalters zwecks Erzielen des Ruhezustandes mit stromloser Magnetwicklung
2 nicht das sofortige Verschwinden des Stromes. Dieser verschwindet mit einer gewissen
Fortschrittlichkeit, die zuweilen und namentlich an Fahrzeugen mit elektromagnetisch
betätigten Kupplungen gut geeignet sein kann, um beim Ausrücken der Kupplung Stöße
in der Kraftübertragung auszuschließen.