DE1236570B - Elektronischer Schwellwertschalter mit einer Ausloeseschaltung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 al - 36/18

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

C 34743 VIII a/21 al
24. Dezember 1964
16. März 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Schwellwertschalter mit einer Auslöseschaltung, die jedesmal einen Ausgangsimpuls abgibt, wenn die ihrem Eingang zugeführte Steuerspannung einen eingestellten Schwellwert übersteigt.

Elektronische Schwellwertschalter sind Schaltungsanordnungen mit zwei stabilen Zuständen, die aus dem ersten in den zweiten Zustand übergehen, wenn eine Steuerspannung über einen Ansprechschwellwert ansteigt, und die wieder aus dem zweiten Zustand in den ersten Zustand zurückgehen, wenn die Steuerspannung unter einen Abfallschwellwert sinkt. Gewöhnlich ist der Ansprechschwellwert von dem Abfallschwellwert verschieden.

Ein bekannter Schwellwertschalter dieser Art ist der Schmitt-Trigger. Dieser enthält zwei Transistoren, deren Emitter über einen gemeinsamen Widerstand an den einen Pol und deren Kollektoren über getrennte Widerstände an den anderen Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen sind. Der Basis des ersten Transistors wird eine Steuergleichspannung zugeführt, und die Basis des zweiten Transistors ist über einen Widerstand mit dem Kollektor des ersten Transistors gekoppelt. Andere bekannte Schwellwertschalter enthalten Doppelbasistransistoren oder andere Halbleiterschaltungselemente, deren Kennlinie einen Abschnitt negativen Widerstands aufweist, so daß sie beim Überschreiten einer Höckerspannung aus einem ersten stabilen Zustand in einen zweiten stabilen Zustand gehen und beim Erreichen einer Talspannung, die kleiner als die Höckerspannung ist, wieder in den ersten Zustand zurückgehen. Die Verwendung eines Doppelbasistransistors ist im übrigen auch zur periodischen Auslösung von steuerbaren Gleichrichterzellen bekannt. Zu diesem Zweck ist der Doppelbasistransistor mit einer i?C-Schaltung so verbunden, daß er jedesmal selbsttätig gezündet wird, wenn sich der Kondensator der i?C-Schaltung auf die Höckerspannung aufgeladen hat, und wieder gelöscht wird, wenn sich der Kondensator auf die Talspannung entladen hat. Die Folgefrequenz der erzeugten Impulsfolge hängt ausschließlich von der Zeitkonstante der 2?C-Schaltung ab. Es handelt sich hierbei aber nicht um einen Schwellwertschalter.

Schließlich ist auch ein Schwellwertschalter bekannt, bei dem ein sehr kleiner Abstand zwischen dem Ansprechschwellwert und dem Abfallschwellwert dadurch erreicht wird, daß das Steuersignal der Serienschaltung einer Zenerdiode mit der Emitter-Basis-Strecke eines Transistors zugeführt wird, wobei der Emitter-Basis-Strecke ein Widerstand parallel geschaltet ist, während der zu steuernde Verbraucher Elektronischer Schwellwertschalter mit einer
Auslöseschaltung

Anmelder:

Compagnie des Compteurs, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz, Dr. rer. nat. G. Hauser

und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,

München-Pasing, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:

Michel Souillard, Fontenay-aux-Roses, Seine

(Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 24. Januar 1964 (961419)

in den Kollektorkreis des Transistors eingeschaltet ist.

Alle diese bekannten Schaltungen erfordern als Steuerspannung eine Gleichspannung, da sie bei Zuführung einer Wechselspannung oder einer zu steuernden Gleichspannung periodisch ihre Zustände ändern würden. Die Gleichspannung muß dabei so geglättet sein, daß ihre Welligkeit kleiner als der Schwellwertabstand ist, was offensichtlich um so mehr Aufwand erfordert, je kleiner dieser Schwellwertabstand ist. Der Schwellwertabstand ist im übrigen stets durch den Aufbau der Schaltung oder die Eigenschaften der verwendeten Halbleiterschaltungselemente vorgegeben, so daß er nicht beliebig wählbar ist. Ein besonderes Problem ist außerdem die Temperaturabhängigkeit der Schwellwerte. Bei einem Schmitt-Trigger ist es zwar bekannt, die Temperaturabhängigkeit durch ein zweipoliges Widerstandsnetzwerk mit negativem Temperaturkoeffizient zu kompensieren, das die Basis des ersten Transistors mit einem konstanten Potential verbindet. Eine solche Temperaturkompensation ist jedoch bei Doppelbasistransistoren und ähnlichen Halbleiterschaltungselementen nicht möglich, denn bei diesen sind die Schwellwerte durch die beiden Extremwerte der Kennlinie bestimmt. Während die Höckerspannung im allgemeinen gut temperaturstabil ist, ist die Talspannung im allgemeinen stark temperaturabhängig.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines elektronischen Schwellwertschalters, der auch durch pulsierende Gleichspannungen oderWechselspannun-

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gen steuerbar ist, dessen Schwellwertabstand beliebig wählbar ist und auch sehr klein sein kann, und dessen beide Schwellwerte selbst bei Verwendung eines Doppelbasistransistors oder eines ähnlichen Schaltungselements sehr wenig temperaturabhängig sind.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß an den Ausgang der Auslöseschaltung eine vorübergehend wirksame Speicheranordnung angeschlossen ist, die nach Erregung durch einen Ausgangsimpuls ein Signal abgibt, dessen Dauer größer als der Abstand der Ausgangsimpulse ist, daß der Speicheranordnung ein Verstärker nachgeschaltet ist, der ein Steuer- oder Anzeigeorgan während der Dauer des Ausgangssignals der Speicheranordnung erregt hält, und daß ein einstellbarer Bruchteil der Ausgangsspannung des Verstärkers der Steuerspannung überlagert wird.

Der nach der Erfindung ausgeführte Schwellwertschalter ergibt die Wirkung, daß sowohl für das Ansprechen als auch für das Abfallen der gleiche Schwellwert maßgeblich ist. Der Schwellwertschalter geht in den Arbeitszustand, wenn die Steuerspannung zum erstenmal den Ansprechschwellwert übersteigt, und sie bleibt in diesem Zustand, wenn sich dieser Vorgang in Zeitabständen wiederholt, die kürzer als die Speicherzeit der vorübergehend wirksamen Speicheranordnung ist. Wenn dagegen der Ansprechschwellwert bis zum Ablauf der Speicherzeit nicht wieder erreicht ist, geht der Schwellwertschalter in den Ruhezustand zurück. Für beide Vorgänge ist nur der Ansprechschwellwert von Bedeutung, bei einem Doppelbasistransistor also die Höckerspannung, die gut temperaturstabil ist, während die stark temperaturabhängige Talspannung ohne Einfluß auf den Betrieb des Schwellwertschalters ist.

Außerdem wird durch die Überlagerung der Mitkopplungsspannung der Ansprechschwellwert nach dem Ansprechen des Schwellwertschalters gewissermaßen tiefer gelegt, so daß sich einerseits sofort ein stabiler Betriebszustand einlegt und andererseits ein neuer »Abfallschwellwert« festgelegt wird. Der Schwellwertabstand ist dabei durch, die Größe der Mitkopplungsspannung bestimmt, die beliebig wählbar ist und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch einstellbar sein kann.

Da schließlich der Schwellwertschalter auch dann in seinem Arbeitszustand bleibt, wenn die Steuerspannung unter den Schwellwert fällt, falls sie nur wieder vor dem Ende der Speicherzeit den Schwellwert übersteigt, kann als Steuerspannung ohne weiteres eine Wechselspannung oder eine pulsierende Gleichspannung verwendet werden, deren Periode kleiner als die Speicherzeit ist. Soweit diese Bedingung eingehalten ist, kann die Frequenz in weiten Grenzen veränderlich sein.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung besteht darin, daß die Auslöseschaltung einen Doppelbasistransistor enthält, dessen Basen an einer stabilisierten Gleichspannung liegen, und an dessen Emitter eine von der Steuerspannung abhängige pulsierende Gleichspannung gelegt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, deren einzige Abbildung das Schaltbild eines nach der Erfindung ausgeführten Schwellwertschalters zeigt. Eine Wechselspannung E wird den Klemmen der Primärwicklung eines Trenn- und Anpassungstransformators TR zugeführt, dessen Sekundärwicklung einen Graetz-Gleichrichter F speist.

Die Ausgangsklemmen dieses Gleichrichters sind mit einem Spannungsteiler verbunden, der aus einem Potentiometer P1 und einem Widerstand R1 besteht. Eine Zenerdiode Z liegt in Serie mit einem Widerstand R an einer Hilfsgleichspannung V, die an die Klemmen M und N angelegt wird. Die Zenerdiode Z liefert eine stabilisierte Spannung zwischen den Leitungen A und B.
Die Auslöseschaltung des Schwellwertschalters besteht im wesentlichen aus einem Doppelbasistransistor UJT. Die in Serie mit der einen bzw. der anderen Basis dieses Transistors geschalteten Widerstände R3 und R4 sind so bemessen, daß die Höckerspannung des Emitters weitgehend temperaturunabhängig

»5 ist. Die Spannung zwischen den beiden Basen des Transistors UJT ist durch die Zenerdiode Z stabilisiert, da die eine Klemme des Widerstands S3 an die Leitung B angeschlossen ist, während die eine Klemme des Widerstands R 4 an den Abgriff eines Potentiometers P 3 angeschlossen ist, dessen eine Klemme an der Leitung A liegt. In Serie mit dem Potentiometer P 3 liegen ein Widerstand RS, ein Potentiometer P 2 und ein Widerstand R 6, dessen andere Klemme mit der Leitung B verbunden ist.

Die Verstellung des Abgriffs des Potentiometers P 3 ermöglicht die Einstellung der Spannung zwischen den beiden Basen des Transistors UJT.

Der zwischen dem Emitter des Transistors UJT und dem Abgriff des Potentiometers P1 angeschlossene Widerstand R2 begrenzt den Steuerstrom im Transistor. Ein Kondensator Cl liegt in Serie mit einer Diode Dl zwischen dem Emitter des Doppelbasistransistors UJT und der Leitung B. Dieser Kondensator ist mit dem Abgriff des Potentiometers P 2 verbunden.

Die mit dem Widerstand i?3 verbundene Basis des Doppelbasistransistors ist mit der Basis eines npn-Transistors 7Vl über einen Widerstand R 7 verbunden. Im Kollektorkreis des Transistors TrI liegt ein Widerstand R 8 parallel zu einer Serienschaltung aus einem Kondensator C 2 und einem Widerstand R9. Der Emitter des Transistors TrI ist an die Leitung B angeschlossen, und sein Kollektor ist mit der Basis eines pnp-Transistors Tr 2 über einen Widerstand R12 verbunden. Durch diese Anordnung ist es möglich, den Transistor Tr 2 für eine bestimmte Zeit im stromführenden Zustand zu halten. Der Transistor TrI sowie die i?C-SchaItungR8, R9, C2 bilden die vorübergehend wirksame Speicheranordnung des

So Schwellwertschalters.

Das Emitterpotential des Transistors Tr 2 wird durch einen aus den beiden Widerständen R10 und RU bestehenden Spannungsteiler auf einen Wert festgelegt, der unter dem Potential der Leitung/!

liegt, so daß dieser Transistor im Ruhezustand gesperrt ist.

Im Kollektorkreis des Transistors Tr 2 liegt ein Widerstand i?13 in Serie mit einem Potentiometer P 4. An den Abgriff des Potentiometers P 4 ist eine Leitung G angeschlossen, die mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Graetz-Gleichrichter F und dem Widerstand R1 verbunden ist.

Ein npn-Transistor Tr 3 bildet im wesentlichen einen Ausgangsverstärker. Seine Basis erhält über den Widerstand i?14 die Ausgangsspannung vom Kollektor des Transistors Tr 2.

Der Emitter des Transistors Tr 3 ist mit der Leitung B verbunden, während der Kollektorkreis ein

Steuer- oder Anzeigeorgan S enthält, dem eine Schutzdiode D 2 parallel geschaltet ist; der Kollektorkreis führt zu der Klemme M, an welche die Hilfsgleichspannung V angelegt wird.

Das beschriebene Relais arbeitet in folgender Weise: Solange kein Wechselspannungssignal an die Klemmen der Primärwicklung des Transformators TR angelegt ist, sind der Doppelbasistransistor UJT und die Transistoren Tr 1, Tr 2, Tr 3 gesperrt. Wenn eine Wechselspannung zugeführt wird, erscheint zwisehen der Leitung G und dem Abgriff des Potentiometers P1 eine pulsierende Gleichspannung. Solange der Transistor Tr 2 gesperrt ist, führt die Leitung G das Potential der Leitung B. Der Kondensator C1 ist auf die am Potentiometer F 2 abgegriffene Spannung aufgeladen, die kleiner als die Höckerspannung des Doppelbasistransistors UJT ist. Solange der Spitzenwert der pulsierenden Gleichspannung die Höckerspannung des Doppeltransistors UJT nicht erreicht, bleibt dieser gesperrt.

Sobald die zugeführte Wechselspannung so groß wird, daß der Spitzenwert der pulsierenden Gleichspannung die Höckerspannung übersteigt, wird der Doppelbasistransistor UJT gezündet, denn dieser Spitzenwert liegt unmittelbar zwischen dem Emitter (über den Widerstand R2) und der unteren Basis (über die Leitung G, das Potentiometer P 4, die Leitung B und den Widerstand R3) des Doppelbasistransistors. Dieser wird stromführend, und der Kondensator C1 entlädt sich sehr schnell über die Diode D1, den Doppelbasistransistor UJT und den Widerstand R 3, bis die Klemmenspannung des Kondensators Cl auf den Wert der Talspannung des Doppelbasistransistors abgefallen ist, worauf dieser wieder gesperrt ist. Die Entladung des Kondensators Cl hat aber an dem Widerstand R 3 einen Spannungsimpuls erzeugt, welcher über den Widerstand R 7 zur Basis des Transistors TrI übertragen wird. Während der Dauer dieses Spannungsimpulses ist der Transistor TrI geöffnet, so daß sich der Kondensator C 2 über den Widerstand R9 auflädt. Gleichzeitig wird der Transistor 7V2 stromführend, weil dessen Basis über den Widerstand R12 eine negativere Spannung empfängt. Nach dem Ende des Spannungsimpulses entlädt sich dieser Kondensator C 2 über den Widerstand R 8, wobei er den Transistor Tr 2 noch für eine Zeit geöffnet hält, die größer als die halbe Periodendauer der zugeführten Wechselspannung ist. Dadurch wird die Auslösung der Detektoranordnung für eine gewisse Zeit vorübergehend gespeichert.

Solange der Transistor TrI stromführend ist, hält seine Kollektorspannung über den Widerstand R14 den Transistor Tr 3 geöffnet, so daß die Hilfsspannung V einen Stromfluß über das Steuer- oder Anzeigeorgan S hervorruft.

Infolge der vorübergehenden Speicherwirkung bleibt dieser Zustand aufrechterhalten, wenn der Doppelbasistransistor UJT in jeder folgenden Halbperiode der Eingangswechselspannung gezündet wird. Erst wenn die Eingangswechselspannung so klein wird, daß die Zündung in einer oder mehreren aufeinanderfolgenden Halbperioden unterbleibt, entlädt sich der Kondensator C 2 so weit, daß der Transistor Tr 2 und damit auch der Transistor Tr 3 wieder gesperrt werden.

Sobald der Transistor Tr 2 stromführend ist, erscheint ferner am Abgriff des Potentiometers P 4 gegenüber der Leitung B eine positive Spannung, die über die Leitung G zu der pulsierenden Gleichspannung addiert wird. Der Spitzenwert der pulsierenden Gleichspannung wird also scheinbar um diesen Betrag erhöht. Durch diese »Mitkopplung« wird der Arbeitspunkt der Anordnung in einen stabilen Bereich verschoben, denn für die gleiche Eingangswechselspannung liegt an dem Doppelbasistransistor eine entsprechend höhere Zündspannung. Die Anordnung spricht also in jeder folgenden Halbperiode auch dann mit Sicherheit an, wenn der Spitzenwert der pulsierenden Gleichspannung um den Wert der Höckerspannung schwankt.

Außerdem wird durch die am Potentiometer P 4 abgegriffene Mitkopplungsspannung der Abfallschwellwert bestimmt, also der Wert der Eingangswechselspannung, bei welchem die Anordnung wieder in den Ruhezustand zurückkehrt. Bei abnehmender Eingangswechselspannung nimmt auch der Spitzenwert der pulsierenden Gleichspannung ab, doch wird zunächst der Doppelbasistransistor UJT wegen der zu diesem Spitzenwert addierten Mitkopplungsspannung immer noch in jeder Periode gezündet. Erst wenn die Eingangswechselspannung so klein geworden ist, daß die Summe aus dem Spitzenwert der pulsierenden Gleichspannung und aus der Mitkopplungsspannung kleiner als der Wert der Höckerspannung ist, wird der Doppelbasistransistor nicht mehr gezündet, so daß die Anordnung in ihren Ruhezustand abfällt. Dieser Abfallschwellwert ist offensichtlich kleiner als der Ansprechschwellwert, und der Unterschied zwischen den beiden Schwellwerten hängt von der Größe der am Potentiometer P 4 einstellbaren Mitkopplungsspannung ab.

Sowohl das Ansprechen als auch das Abfallen der Anordnung ist ausschließlich durch das Überschreiten der Höckerspannung bedingt, die weitgehend temperaturunabhängig ist. Die wesentlich stärker temperaturabhängige Talspannung hat auf das Ansprechen und Abfallen keinen Einfluß.

Die beschriebene Anordnung kann in Verbindung mit einem Eingangskreis mit drei Eingängen verwendet werden, wenn ein Dreiphasenstromkreis gesteuert werden soll. In diesem Fall werden an sich bekannte Diodenschaltungen verwendet, welche die Steuerung der größten bzw. der kleinsten der drei Eingangsgrößen ermöglichen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektronischer Schwellwertschalter mit einer Auslöseschaltung, die jedesmal einen Ausgangsimpuls abgibt, wenn die ihrem Eingang zugeführte Steuerspannung einen eingestellten Schwellwert übersteigt, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Auslöseschaltung eine vorübergehend wirksame Speicheranordnung (C 2, R9) angeschlossen ist, die nach Erregung durch einen Ausgangsimpuls ein Signal abgibt, dessen Dauer größer als der Abstand der Ausgangsimpulse ist, daß der Speicheranordnung ein Verstärker nachgeschaltet ist, der ein Steuer- oder Anzeigeorgan während der Dauer des Ausgangssignals der Speicheranordnung erregt hält, und daß ein einstellbarer Bruchteil der Ausgangsspannung des Verstärkers der Steuerspannung überlagert wird.

2. Elektronischer Schwellwertschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus-

löseschaltung eine Kippschwingerschaltung mit stabilem Ansprechschwellwert enthält.

3. Elektronischer Schwellwertschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseschaltung einen Doppelbasistransistor (UJT) enthält, dessen Basen an einer stabilisierten Gleichspannung liegen, und an dessen Emitter eine von der Steuerspannung abhängige pulsierende Gleichspannung gelegt ist.

4. Elektronischer Schwellwertschalter nach An-Spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Emitterkreis des Doppelbasistransistors (UJT) in Serie mit einem Gleichrichter (D 1) ein Kondensator (C 1) liegt, der auf einen unter der Höckerspannung des Doppelbasistransistors liegenden Teil der stabilisierten Gleichspannung aufgeladen wird und sich über einen Widerstand (R 3) und den Doppelbasistransistor (UJT) entlädt, während dieser stromführend ist.

5. Elektronischer Schwellwertschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Auslöseschaltung ein Transistor (TrI) so angeschlossen ist, daß er durch jeden Ausgangsimpuls geöffnet wird, daß im Kollektorkreis des Transistors (TrI) ein Kondensator (C 2) parallel zu einem Widerstand (RS) liegt, und daß der Kollektor des Transistors (TrI) mit der Basis eines weiteren Transistors (Tr 2) verbunden ist, in dessen Ausgangskreis ein Potentiometer (F 4) liegt, an dem bei geöffnetem Transistor (Tr2) die Spannung abgegriffen wird, die der Steuerspannung überlagert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1129 535,

520;
»Silicon controlled Rectifier Manual«, General

Electric Company, 1961, S. 80, Fig. 6.2.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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