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Einrichtung zur Spannungsüberwachung, insbesondere zur Pilotspannungsüberwachung
bei Trägerfrequenzsystemen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Spannungsüberwachung,
insbesondere zur Pilotspannungsüberwachung bei Trägerfrequenzsystemen, sowie zur
Umschaltung von einem Betriebs- auf einen Ersatzgenerator bei über- sowie Unterschreitung
von Spannungssollwerten unter Verwendung eines durch eine Normalgleichspannung vorgespannten
Transistoroszillators und Relais.
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Vielkanalsysteme der Trägerfrequenz- und Richtfunktechnik erfordern
nahezu unterbrechungsfrei vorhandene Träger- und Pilotfrequenzen. Während bei den
Trägerspannungen 10 bis 20 % Pegelkonstanz genügen, müssen die Pilotpegel besser
konstant gehalten werden. Die Toleranzen liegen etwa bei ± 2 bis ± 5 %.
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Zur Erfüllung dieser Bedingungen wird im allgemeinen die Pilotspannung
jeder Frequenz wenigstens zweimal in einem Trägerfrequenzsystem zur Verfügung gestellt
und auf ihre Pegelkonstanz überwacht. Die Erzeugung dieser Pilotspannungen gleicher
Frequenz erfolgt jeweils in einem Betriebs- und in einem Ersatzgenerator. Eine bekannte
Anordnung zur Überwachung und Umschaltung ist in F i g. 1 schematisch dargestellt.
Der Betriebsgenerator 1 liegt über den Relaiskontakt r, der von der Umschalteeinrichtung
2 gesteuert wird, ständig an der abgehenden Leitung 3. überschreitet der Pegel die
zugelassene Toleranz, so erfolgt die Umschaltung auf den Ersatzgenerator 4. Gleichzeitig
wird dieser Zustand über eine nicht dargestellte Alarmeinrichtung, die von der Umschalteeinrichtung
2 bzw. 5 gesteuert wird, angezeigt. Um eine möglichst große Unterbrechungsfreiheit
während der Umschaltung vom Betriebs- auf den Ersatzgenerator zu gewährleisten,
darf die Umschaltung nur geringe Zeit in Anspruch nehmen.
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Es sind bereits verschiedene überwachungs- und Umschalteeinrichtungen
bekannt. Derartige Umschalteeinrichtungen arbeiten entweder mechanisch oder sie
sind vollelektronisch. Alle diese Einrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß sie
in bezug auf Bauelementeaufwand sehr aufwendig sind. Außerdem ist ihre Funktionsweise
häufig sehr kompliziert, so daß die Störanfälligkeit dadurch groß wird.
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Grundsätzlich wäre es auch möglich, die nachstehend an Hand der F
i g. 2 erläuterte Anordnung zur Umschaltung und Überwachung zu verwenden. Hierbei
geschieht die Überwachung durch Vergleich der der zu überwachenden Pilotwechselspannung
proportionalen Gleichspannung Um... mit einer durch eine Zenerdiode stabilisierten
Normalspannung UZ. Weichen die beiden Spannungen voneinander ab, so wird je nach
Richtung der Abweichung entweder der als Gleichstromverstärker geschaltete Transistor
6 oder 7 leitend. Beide Transistoren sind zueinander komplementär. Die Normalspannung
UZ ist jeweils den Emittern beider Transistoren zugeführt, während die Gleichspannung
UM".,., an den Basen der beiden Transistoren liegt. über eine weitere Verstärkerstufe
mit dem Transistor 8 wird das Umschalterelais 9 erregt. Der Transistor 10 ist zum
Zwecke der Phasenumkehr der Transistorausgangsspannung 7 angeschaltet. Um Verfälschungen
der Messung zu vermeiden, muß dafür Sorge getragen werden, daß die Meßspannung nicht
allzu hoch belastet wird. Dies geschieht im vorliegenden Fall durch eine hohe Verstärkung.
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Es ist weiterhin eine überwachungs- und Umschalteeinrichtung bekannt,
bei der bei Sollspannung ein aus einem Transistor und Schwingelementen gebildeter
Oszillator anschwingt und durch Anlegen einer bestimmten Spannung, die man dadurch
erhält, daß die zu überwachende Spannung von ihrem Sollwert abweicht, stillgesetzt
wird, wodurch dann eine Umschaltung des Betriebsgenerators auf den Ersatzgenerator
erfolgt. Diese Schaltungsanordnung hat jedoch den Nachteil, daß nur.Spannungsabweichungen
einer Richtung kontrolliert werden können. Außerdem ist der Oszillator während der
Sollspannung dauernd in Betrieb.
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In der französischen Patentschrift .1242 059 ist eine Einrichtung
zur Spannungsüberwachung sowie zur Umschaltung,bei über- und Unterschreitung von
Spannungssollwerten beschrieben" bei der zwei Transistoren zusammen .mit einem gemeinsamen
über-, trager einen Oszillator bilden. @ Dieser Oszillator ist
zweistufig
aufgebaut. In der entgegengehaltenen Anordnung nach F i g. 1 ist der Eingang der
Verstärkerstufe mit dem Transistor 2 über den Übertrager 10
an den Ausgang
der Verstärkerstufe mit dem Transistor 1 angekoppelt, indem die Sekundärwicklung
11 mit der Basis des Transistors 2 und die Primärwicklung 9 mit dem Kollektor des
Transistors 1 verbunden ist. Vom Ausgang der Verstärkerstufe des Transistors 2,
d. h. dessen Kollektor, führt über den Kondensator 20 und 23 und die Diode 18 ein
Rückkopplungsweg zum Eingang der Verstärkerstufe mit dem Transistor 1, d. h. zu
dessen Emitter. Solange die Eingangsspannung Vi zwischen zwei zu überwachenden Grenzen
liegt, schwingt der Oszillator, und das Relais 17 ist angezogen, d. h., der zweistufige
Oszillator und das Relais arbeiten mit Ruhestrom. Im Störungsfall, d. h. bei Unterschreiten
der unteren oder Überschreiten der oberen Grenze der Eingangsspannung Vi, hört der
Oszillator zu schwingen auf, und das Relais fällt ab und löst dadurch einen Alarm
aus. Bei Unterschreiten der unteren Grenze sinkt der Kollektorstrom des Transistors
1 so weit ab, daß dessen Verstärkung nicht mehr ausreicht, die Schwingung aufrechtzuerhalten.
Bei Überschreiten der oberen Grenze steigt der Kollektorstrom des Transistors 1
so weit an, daß die gesamte Kollektorspannung an dem im Kollektorstromkreis gelegenen
Widerstand 12 abfällt und die Kollektorrestspannung des Transistors 1 so weit abfällt,
daß dessen Verstärkung ebenfalls nicht mehr ausreicht, die Schwingung aufrechtzuerhalten.
Dabei ist zu beachten, daß der Ansprechpunkt an der oberen Grenze der Eingangsspannung
Vi einen schleichenden Übergang aufweist, dessen Lage insbesondere durch Temperatureinflüsse
leicht verschiebbar ist, und daß die Schaltung ferner in bezug auf den oberen Ansprechpunkt
mit einer Hysterese behaftet ist, d. h., daß bei Rückkehr der Eingangsspannung Vi
in die Sollage der Oszillator bei einem anderen Spannungswert zu schwingen einsetzt
als dem, bei dem die Schwingung ausgesetzt hat.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber bekannten
Spannungsumschalte- und -Überwachungseinrichtungen verbesserte Anordnung zu schaffen.
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Die Einrichtung zur Spannungsüberwachung wird gemäß der Erfindung
so ausgebildet, daß zwei komplementäre Transistoren 11, 12 bezüglich der
Rückkopplung mit parallelgeschalteten Eingängen und mit den beiden Kollektoren an
einen gemeinsamen übertrager 15 angeschlossen einen einstufigen Gegentaktoszillator
bilden, daß dem gemeinsamen Eingang der Transistoren 11, 12 eine Differenzgleichspannung
zugeführt ist, die aus einer Normalgleichspannung UZ und einer der zu überwachenden
Spannung proportionalen Meßgleichspannung Um"" erzeugt ist, daß die Meßgleichspannung
Um ... über einen ohmschen Widerstand 13 zugeführt ist, der zusammen
mit einer im gemeinsamen Eingangskreis der Transistoren liegenden Kapazität 16 im
wesentlichen die Schwingfrequenz bestimmt, und daß der auftretende Schwingstrom
ein Relais 20 steuert.
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Zur Einstellung verschiedener Schwellwerte läßt sich auch vorteilhaft
für jeden Transistoreingang Eine eigene Normalgleichspannungsquelle verwenden, wobei
als Gleichspannungsquelle Zenerdioden benutzt werden können. Schaltet man der Normalspannungsquelle
einen Kondensator parallel, so wird diese Spannungsquelle durch den auftretenden
Schwing-Strom nicht belastet. Wird der Übertrager mit einer weiteren Wicklung versehen
und dieser Wicklung ein Gleichrichterelement nachgeschaltet, so erreicht man auf
diese Weise, daß am Ausgang auch eine potentialfreie Gleichspannung zur Verfügung
steht. Will man den angeschwungenen Oszillator außer Betrieb setzen, so kann eine
der übertragerwicklungen mittels eines Schalters kurzgeschlossen werden.
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Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß man mit einem Minimum an
Bauteilen auskommt. Ferner weist diese Einrichtung den Vorteil auf, daß der Oszillator
auch dann weiterschwingt, wenn die Meßgleichspannung Um"" bereits auf ihren Sollwert
zurückgegangen ist. Diese Eigenschaft eines Oszillators wurde bei den bisher bekannten
Anordnungen nur durch einen zusätzlichen Aufwand erreicht. Ein derartiges .Weiterschwingen
wird bei Trägerfrequenzsystemen jedoch häufig angestrebt, da dann die Alarmierung
bis zur Beseitigung des Fehlers erhalten bleibt. Ein weiterer Vorteil besteht darin,
daß sowohl positive als auch negative Abweichungen vom Sollwert durch ein und dieselbe
Schaltung erfaßt werden.
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An Hand des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3 wird die Erfindung
näher erläutert.
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Die der Pilotwechselspannung proportionale Meßgleichspannung
Um... wird über den ohmschen Widerstand 13 und die Sekundärwicklung 14 des
Übertragers 15 an die Basen der beiden Transistoren 11 und 12 geführt. Zwischen
dem Verbindungspunkt des ohmschen Widerstandes 13 mit der Sekundärwicklung 14 und
den beiden Emittern der Transistoren 11 und 12 liegt die Kapazität 16. Die beiden
Emitter liegen über die Zenerdiode 17 am positiven Pol und über den ohmschen Widerstand
18 am negativen Pol der Versorgungsspannungsquelle. Die Primärwicklung 19 des Übertragers
15 liegt am Kollektorkreis des Transistors 11 und ist außerdem über das Relais 20
mit dem negativen Pol der Versorgungsspannungsquelle UB verbunden. Im Kollektorkreis
des Transistors 12 liegt die Tertiärwicklung 21 des Übertragers 15, die mit dem
einen Pol der Primärwicklung 19 über den Kondensator 22 verbunden ist. Die beiden
Transistoren 11 und 12 sind zueinander komplementär. Mit Hilfe der Drucktaste 23
läßt sich die Wicklung 21 kurzschließen. An der Zenerdiode 17 fällt die Normalspannung
UZ ab.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist wie folgt: Wenn die Pilotspannung
innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches liegt, ist die Gleichspannung UM... gleich
der Normalspannung UZ und beide Transistoren sind gesperrt. Die durch die Übertragerwicklung
14 erfolgende Rückkopplung ist wirkungslos. Weicht die Gleichspannung
Um"., von der Normalspannung UZ ab, so wird je nach Richtung der Abweichung
einer der beiden Transistoren stromführend. Ein sehr geringer Strom genügt bereits,
um die Rückkopplung zur Wirkung kommen zu lassen. Beide Transistoren schalten sich
nun abwechselnd ein und aus. Der so entstehende Schwingstrom betätigt das Relais
20, wodurch der in F i g. 1 dargestellte Relaiskontakt r umgeschaltet wird, so daß
die Ausgangsleitung vom Betriebs- auf den Ersatzgenerator zu liegen kommt. Diese
Anordnung hat gegenüber der Anordnung nach F i g. 2 den wesentlichen Vorteil, daß
bei Überschreiten eines vorgegebenen Sollwertes der Schwingungseinsatz ruckartig
erfolgt und dadurch allmähliche Übergänge, die zu einer Fehlanzeige führen können,
vermieden werden. Die Schwingfrequenz
ist bestimmt durch den Innenwiderstand
der Gleichspannungsquelle Um,."" den ohmschen Widerstand 13 und den Kondensator
16. Der Oszillator nimmt aus der Versorgungsspannungsquelle so lange keinen Strom
auf, solange die zu überwachende Pilotspannung innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches
liegt.