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Schaltungsanordnung zur Spannungsüberwachung Die Erfindung bezieht
sich auf eine Schaltungsanordnung zur überwachung einer Gleichspannung, bei der
in Abhängigkeit von der Spannung ein Relais betätigt und damit ein bestimmter Schaltvorgang
ausgelöst wird.
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Auf vielen Gebieten der Elektrotechnik werden Relais dazu verwendet,
Schaltvorgänge in Abhängigkeit von einer Spannung auszulösen, indem bei Erreichen
eines bestimmten Spannungswertes das Relais anzieht und dabei verschiedene Kontakte
schließt und bei Unterschreiten eines gegebenenfalls anderen Spannungswertes abfällt
und dabei die Arbeitskontakte wieder geöffnet werden. Es können auch Ruhekontakte
vorgesehen sein, die beim Anziehen des Relais geöffnet und beim Abfallen geschlossen
werden.
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In den meisten Fällen reicht die Genauigkeit, mit der das Relais auf
die Änderung der Spannung anspricht, vollkommen für den beabsichtigten Zweck aus.
In anderen Fällen ist man jedoch gezwungen, auf die Verwendung von Relais zu verzichten
und statt dessen wesentlich aufwendigere Anordnungen und Schaltmittel zu verwenden,
da die erforderliche Ansprechgenauigkeit mit einem Relais nicht erreichbar schien.
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Die Erfindung zeigt nun einen Weg, wie mit verhältnismäßig geringem
Aufwand die Ansprechgenauigkeit eines Relais so weit erhöht werden kanen, daß damit
auf vielen Gebieten wesentlich kompliziertere und aufwendigere Anordnungen ersetzt
werden können.
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Bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung liegt das Relais im
Kollektorkreis eines Transistors, dessen Basispotential von der zu überwachenden
Spannung beeinflußt wird. Um eine möglichst impulsartige Durchsteuerung des Transistors
zu erzielen; wird das Basispotential über eine Zenerdiode beeinflußt.
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Es sind zwar Schaltungsanordnungen dieser Art bekannt. Diese haben
jedoch den Nachteil, daß sie einen ziemlich großen Aufwand an .Schaltungselementen
erfordern und daß bei Ausfall bestimmter Bauelemente die Gefahr besteht, daß ein
kritisches Gebiet erreicht wird, d. h., daß die zu überwachende Spannung einen unzulässig
hohen Wert erreicht und dadurch nachgeschaltete Geräte oder Anlagen gefährdet werden.
Bei einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art zur Spannungsüberwachung sind
zwei Transistoren zu einer bistabilen Kippschaltung zusammengeschaltet. Das Relais
liegt im Kollektorkreis des zweiten Transistors und ist angezogen, wenn die Größe
der zu überwachenden Spannung unter dem Schwellwert liegt. Das Relais fällt ab,
wenn die Schwellspannung überschritten wird. Wenn das Relais bei der bekannten Anordnung
beim Erreichen der Schwellspannung anziehen soll, so ist noch ein weiterer Transistor
erforderlich. Außerdem kann bei der bekannten Schaltungsanordnung Ansprechwert und
Abfallwert nicht unabhängig voneinander eingestellt werden.
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Es sind auch bereits Schaltungsanordnungen zur Verbesserung des Halteverhältnisses
eines Relais bekannt. Es ist jedoch nicht Aufgabe der Erfindung, das Halteverhältnis
eines Relais zu verbessern, sondern das Flattern des Relais zu vermeiden und ein
exaktes Ansprechen zu erzielen.
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Schließlich ist eine Schaltungsanordnung zur überwachung einer Gleichspannung
bekannt, bei der ein Relais in Reihe mit dem Emitter-Kollektor-Kreis eines Transistors
an der zu überwachenden Spannung liegt und .eine Teilspannung der zu überwachenden
Spannung über eine Zenerdiode der Basis des Transistors zugeführt wird.
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Die Erfindung besteht in einer vorteilhaften Weiterbildung der zuletzt
genannten Schaltungsanordnung und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Relais einen
zusätzlichen Kontakt aufweist, durch den Schaltungselemente zu- bzw. abgeschaltet
werden, die eine sprunghafte Verschiebung der Teilspannung in Richtung der vorhandenen
Spannungstendenz be= wirken.
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Bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung werden nur wenige
Bauelemente benötigt, im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen. Außerdem besteht
nicht, wie bei der bekannten Anordnung die Gefahr, da.ß bei Ausfall des Transistors
ein unerwünschter oder gefährlicher Schaltzustand eintritt. Schließlich kann bei
der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung der Spannungswert, bei dem das Relais
abfällt, unabhängig vom Anzugswert eingestellt werden.
Mit dieser
Schaltungsanordnung können nun Schaltaufgaben gelöst werden, die bisher einen weit
größeren Aufwand erforderlich machten und bei denen man die Verwendung von Relais
für unmöglich hielt.
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So besteht beispielsweise bei Batterieladegeräten die Aufgabe, den
Spannungszustand der Batterie während des Ladevorganges zu überwachen, um eine Überladung
der Batterie zu vermeiden und den Ladevorgang in Abhängigkeit vom Ladezustand zu
steuern. In manchen Fällen ist es auch erforderlich, die Kennlinie des Ladegerätes
zu ändern. Bekanntlich können Ladegeräte eine Widerstandskennlinie (W-Kennlinie),
eine Konstantspannungskennlinie (U-Kennlinie) oder eine Konstantstromkennlinie (1-Kennlinie)
haben. Meist werden Ladegeräte mit kombinierter Kennlinie, z. B. mit IUW-Kennlinie,
verwendet.
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Zur Erzielung der W-Kennlinie sind keine besonderen Regelmittel erforderlich,
dagegen ist zur Erzielung einer U- oder I-Kennlinie ein beträchtlicher Aufwand an
Regelmitteln erforderlich, durch den das Ladegerät erheblich verteuert wird.
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Es ist nun einfach, die W-Kennlinie bezüglich der Strom- und Spannungsachse
parallel zu verschieben. Die Umschaltung von einer W-Kennlinie auf eine andere W-Kennlinie
kann nun mit der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung so genau bei einer einstellbaren
Spannung durchgeführt werden, daß beispielsweise durch Aneinanderreihen mehrerer
W-Kennlinien eine U-Kennlinie nachgebildet werden kann. Diese verläuft natürlich
nicht exakt parallel zur Spannungsachse, aber infolge des exakten Ansprechens des
Relais bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung können hierbei Spannungstoleranzen
eingehalten werden, wie sie bei Konstantspannungsgeräten verlangt werden.
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Es ist weiter möglich, fest eingestellte Geräteteile mit verschiedener
Kennlinie zu verwenden und die Umschaltung abhängig von der Batteriespannung mit
der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung vorzunehmen.
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In allen diesen Fällen ist der Aufwand an Schaltmitteln wesentlich
geringer, wenn die Relaisschaltung gemäß der Erfindung verwendet wird, so daß dadurch
nicht nur eine erhebliche Vereinfachung und Gewichtsersparnis, sondern auch eine
wesentliche Verbilligung der Geräte erzielt wird.
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Es können natürlich noch viele andere Schaltaufgaben mit dieser Schaltungsanordnung
gelöst werden.
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Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung soll an Hand der Figuren
näher beschrieben werden. F i g. 1 zeigt die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
und F i g. 2 zeigt den Spannungsverlauf bei der Puffereng einer 12-Volt-Batterie:
An den Eingangklemmen 1 und 2 liegt die zu überwachende Spannung,
beispielsweise die Batteriespannung. Die Widerstände R1, R2 und R3 bilden einen
Spannungsteiler. Zwischen den Widerständen R1 und RE wird eine Teilspannung der
zu überwachenden Spannung abgenommen und über eine Zenerdiode Z an die Basis des
Transistors T gelegt, die über den Widerstand R4 mit der Eingangsklemme 2 verbunden
ist. Der Emitter des Transistors T liegt ebenfalls an der Eingangsklemme
2,
und der Kollektor ist über die Wicklung des Relais Rel mit der Eingangsklemme
1 verbunden. Die Arbeitskontakte des Relais sind in dem dargestellten Beispiel als
Umschaltkontakt r2 ausgebildet, der die Anschlußklemmen 3, 4 und 5 besitzt. Durch
den Ruhekontakt r1 ist der Widerstand R3 kurzgeschlossen. Der Kondensator C dient
zur Glättung, um den Einfuß der Welligkeit der Eingangsgleichspannung auszuschalten.
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So lange die abgenommene Teilspannung kleiner ist als die Zenerspannung
der Zenerdiode Z bleibt R4 stromlos. Die Basis des Transistors T liegt dann auf
Emitterpotential, und der Transistor ist gesperrt. Das Relais Rel ist abgefallen
und der Widerstand R3 über den Ruhekontakt r1 kurzgeschlossen. Übersteigt die zwischen
den Widerständen R1 und R2 abgenommene Spannung die Zenerspannung, so wird die Basis
des Transistors gegenüber dem Emitter negativ, es fließt ein Strom im Emitter-Kollektor-Kreis,
und das Relais zieht an. Bei geringfügiger Bewegung des Ankers wird der Ruhekontakt
r1 geöffnet und damit der Widerstand R3 in den Spannungsteiler eingeschaltet. Dadurch
wird die abgenommene Teilspannung geändert, d. h. das Potential zwischen R1 und
R2 negativer. Das Relais zieht also jetzt noch besser an. Auf diese Weise werden
unstabile Zustände vermieden, und das Relais spricht sicher und schnarrfrei beim
Erreichen der Ansprechspannung an.
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Unterschreitet das Potential zwischen R1 und R2 den Wert der Zenerspannung,
so fällt das Relais wieder ab. Auch der Abfall erfolgt exakt, da hierbei der Luftspalt
zwischen Pol und Anker vergrößert wird. Schließt bei weiterem Abfall wieder der
Ruhekontakt r1, so wird der Widerstand R3 wieder kurzgeschlossen und das Potential
zwischen R1 und R2 positiver als beim Abfallen des Relais, so daß der Transistor
einwandfrei gesperrt wird. Die vorhandene Spannungstendenz wird also immer unterstützt.
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In F i g. 2 sind die Spannungsverhältnisse bei der Pufferung einer
12-Volt-Batterie dargestellt. Auf der Abszisse ist die Batteriespannung aufgetragen
und auf der Ordinate die Relaisspannung. Die Spannung der Batterie soll im Bereich
von 13,2 bis 14,4 Volt gehalten werden, was einer Spannung von 2,2 bis 2,4 Volt
pro Zelle entspricht. Die drei Horizontalen stellen die Abfallspannung bei 3 Volt,
die Ansprechspannung bei 7 Volt und die Nennspannung dar. Bei A spricht das
Relais an und bei B fällt es ab. Aus dem Kurvenverlauf kann entnommen werden,
daß die Spannung an der Batterie genau in den angegebenen Grenzen gehalten werden
kann.