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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur verzerrungsfreien
öbertragung von Impulsen mit variablem Tastverhältnis über induktive Elemente, wie
Transformatoren.
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In vielen Fällen ist es erforderlich, die Ausgänge von elektronischen
Schalteinheiten von anderen Schaltkreisen galvanisch zu trennen. Das Ausgangssignal
muß daher transformatorisch übertragen werden. Dabei treten insofern Schwierigkeiten
auf, als das Signal durch den Ubertrager verzerrt wird. Besonders schwierig ist
es, niederfrequente Rechteckimpulse mit variablem Tastverhältnis, möglichst mit
einem solchen von 0 bis 100°/a, zu übertragen.
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Es ist bereits bekannt, zur besseren Ubertragung von niederfrequenten
Rechteckimpulsen diese in eine Impulsfolge höherer Frequenz umzuwandeln. Zur Erzeugung
der höheren Frequenz können bei digitalen und logischen Steuerungen die logischen
Elemente selbst verwendet werden, indem eine ungerade Anzahl negierender Glieder
zu einem Ring geschaltet wird (deutsche Patentschrift 1 167 885).
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Es ist weiter bekannt, zur Erzeugung der Impulsfolge höherer Frequenz
einen Ruheoszillator zu verwenden, der zunächst gesperrt ist. Die Sperre wird durch
einen geeigneten Impuls aufgehoben, so daß der Oszillator eine Impulsfolge abgibt,
die dem zu übertragenden Impuls entspricht (deutsche Patentschrift 1 168 951).
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Bei der Übertragung von Rechteckimpulsen mit variablem Tastverhältnis
tritt nun das Problem auf, sowohl den Rechteckimpuls als auch die Impulslücke, die
variabel sind, entsprechend dem eingegebenen Signal zu übertragen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zu schaffen,
mit der die Übertragung von Rechteckimpulsen mit variablem Tastverhältnis mit einem
möglichst geringen Aufwand an Bauteilen möglich ist.
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Gemäß der Erfindung wird hierzu ein Impulsgenerator verwendet, der
mit zwei verschiedenen , Frequenzen schwingen kann, zwischen denen er periodisch
umgeschaltet wird. Dabei dient die eine Frequenz zur Übertragung der Impulslücke
und die andere Frequenz zur Übertragung des Rechteckimpulses, indem in an sich bekannter
Weise eine , entsprechende Impulsfolge erzeugt wird.
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Bei einer Schaltungsanordnung zur verzerrungsfreien Übertragung von
niederfrequenten Rechteckimpulsen mit variablem Tastverhältnis über induktive Bauelemente,
wie Transformatoren, bei der die Rechteckimpulse in eine Impulsfolge höherer Frequenz
umgewandelt werden, deren Umhüllende dem erforderlichen Impuls entspricht und die
Impulsfolge nach der Öbertragung gegebenenfalls wieder in einen Rechteckimpuls umgewandelt
wird, ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulserzeuger mit einem
Zeitglied, durch das die Frequenz des Impulserzeugers verändert werden kann, und
eine bistabile Schaltgruppe vorgesehen sind, daß zum Zeitpunkt des Endes des Rechtecksignals,
der Periodendauer T, das Zeitglied des Impulserzeugers so angesteuert wird, daß
der Impulserzeuger mit einer niedrigen Frequenz schwingt, wobei die Zeitdauer für
die erste Schwingung gleich der Dauer der gewünschten Signallücke ist, daß am Ende
der ersten Schwingung die bistabile Schaltgruppe umgeschaltet und dadurch das Zeitglied
im Sinne der Erzeugung einer höheren Schwingungsfrequenz des Impulserzeugers beeinflußt
wird und daß nach der Zeit für eine Periode des Rechtecksignals die bistabile Schaltgruppe
wieder in den ursprünglichen Zustand zurückgeschaltet wird, so daß der Impulserzeuger
wieder mit der niedrigeren Frequenz schwingt.
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Die Erfindung soll an Hand der Figuren näher erläutert werden.
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F i g. 1 zeigt das Prinzip der Erfindung in Form eines Blockschaltbildes,
F i g. 2 den zeitlichen Verlauf von Impulsen beim Betrieb der Schaltungsanordnung
gemäß der Erfindung; in den F i g. 3 bis 8 sind bevorzugte Verwicklungen der Schaltungsanordnung
gemäß der Erfindung dargestellt.
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Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, wie sie schematisch in
F i g. I dargestellt ist, enthält einen Oszillator 3 mit einem Zeitglied 3a, eine
bistabile Schaltgruppe 4 und gegebenenfalls einen Impulsformer und/oder Impulsverstärker
5.
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Als Oszillator 3 kann ein an sich bekannter Oszillator, wie z. B.
ein Kippschwinger, ein Impulsgenerator, ein Sägezahngenerator usw., verwendet werden.
Auf jeden Fall muß er Impulse mit mindestens einer steilen Flanke erzeugen. Von
außen wird bei 1 ein Auslöse- oder Sperrimpuls eingespeist, der die Periodendauer
T des zu übertragenden Rechtecksignals hat. Entsprechend der Einstellung des Zeitgliedes
3a, das beispielsweise ein RC-Glied ist, wird von dem Oszillator 3 ein steiler Impuls
nach der Verzögerungszeit T erzeugt. Über den Eingang 2 kann die Verzögerungszeit
T2 verändert werden. Mittels dieses Impulses oder mit einem weiteren gleichzeitig
erzeugten Impuls wird nun die bistabile Schaltgruppe 4 angesteuert. Dadurch
wird diese in den anderen stabilen Zustand umgeschaltet. Hierdurch wird das Zeitglied
des Oszillators so beeinflußt, daß nun der Oszillator mit einer wesentlich höheren
Frequenz 11T schwingt. Es entsteht nun eine Folge von Impulsen der Frequenz 11T,
die so lange andauert, bis ein weiterer Auslöse- oder Sperrimpuls der Frequenz 1/T
die bistabile Schaltgruppe und den Oszillator in ihren Ausgangszustand bringt.
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In der F i g. 1 ist durch die Pfeile angedeutet, daß von Eingang 1
der Oszillator 3 und die bistabile Schaltgruppe 4 parallel beeinflußt werden
und daß außerdem die bistabile Schaltgruppe 4 vom Oszillator 3 beeinflußt wird.
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Am Ausgang des Oszillators steht nun das für die Übertragung geeignete
Signal zur Verfügung, das gegebenenfalls noch zusätzlich über einen Impulsformer
oder Verstärker 5 zum Ausgang 6 geleitet werden kann. Wesentlich ist,
daß die Hüllkurve dieser Impulsfolge mit dem ursprünglichen Rechteckimpuls übereinstimmt.
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In F i g. 2a bis 2d ist der zeitliche Verlauf der einzelnen Impulse
dargestellt. F i g. 2a zeigt den am Ausgang 6 gewünschten Rechteckimpuls.
Dieser hat die Frequenz fi = 1/T. F i g. 2b zeigt den zum Betrieb der Schaltung
erforderlichen Auslöse- oder Sperrimpuls und F i g. 2c die Impulsfolge höherer Frequenz
,j3 = 11T, die, übertragen, zum selben Resultat führt wie der Rechteckimpuls
in F i g. 2a. In F i g. 2d ist die Umhüllende der Impulsfolge von F i g. 2c dargestellt.
Diese kann bis um die Zeit T3 kürzer sein als der ursprüngliche Rechteckimpuls.
Wenn die Frequenz ,j3 = 11T jedoch genügend hoch gewählt wird, kann dieser
Unterschied vernachlässigt werden.
Wesentlich ist das Ubereinstimmen
der einen Flanke des erforderlichen Rechteckimpulses, vorzugsweise der zeitlich
früheren, mit der Endflanke der AusgangsimpulsfoIge.
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Als Oszillator kann grundsätzlich jede selbstschwingende Schaltung
verwendet werden, durch die pro Periode mindestens eine steile Impulsflanke erzeugt
wird. Außerdem muß durch einen Eingriff von außen in das Zeitglied des Oszillators
die Schwingfrequenz in einem größeren Bereich kontinuierlich verändert werden können.
Vorzugsweise werden als Oszillator ein Sägezahngenerator oder ein Impulsgenerator
mit Tunneldioden oder ein Schaltkreis mit Unijunction-Transistor verwendet.
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Zum Aufbau der bistabilen Schaltgruppe eignen sich alle Schaltungen,
die zwei verschiedene stabile Zustände annehmen können und durch Einwirkung von
außen angesteuert werden können. Hierzu gehören ein bistabiler Multivibrator, eine
Kippschaltung mit p-n-p- und n-p-n-Transistoren, ein Thyristor, ein Unijunction-Transistor,
eine Tunneldiode oder eine Vierschichtdiode.
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Besonders vorteilhafte Schaltungen gemäß der Erfindung sollen nun
an Hand der F i g. 3 bis 8 näher beschrieben werden.
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Mit 11 und 12 sind die Eingänge entsprechend 1 und 2 von F i g. 1
bezeichnet und mit 13 und 14 der Ausgang.
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Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 enthält der Oszillatorkreis
den Unijunction-Transistor Trl, dessen Basis über den Widerstand R 1 an einem schaltbaren,
positiven Potential liegt. Zwischen der Basis des Unijunction-Transistors Trl und
dem Nullpotential liegt die Primärwicklung W 1 eines Öbertragers parallel mit der
Diode D 1. Der Emitter von Tr 1 ist mit dem Zeitglied des Oszillators verbunden.
Dieses besteht aus dem Kondensators Cl. und einem veränderlichen Widerstand,
der hauptsächlich durch den Emitter-Kollektor-Kreis des Transistors Tr2 gebildet
wird, der mit dem Widerstand R2 und dem Widerstand R 3 sowie dem Eingangssignal
an Klemme 11 einen konstanten Ladestrom für C 1 erzeugt. Wird der Transistor
Tr3, angesteuert über den Widerstand R4 an der Klemme 12, leitend, so kann sich
C1 aufladen, bis das Potential am Emitter von Tr 1
den Durchbruchswert erreicht
hat. Ist dies geschehen, so wird C 1 durch die leitend gewordene Emitter-Basis-Strecke
über W 1 entladen, und an den Sekundärwicklungen W 2 und W 3 des Übertragers tritt
ein Impuls auf.
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Dieser zündet, gegebenenfalls über einen Widerstand, den Thyristor
Tr4, so daß sich von nun an C 1 auch über den Widerstand R5 und die Diode D2 aufladen
kann, was einer höheren Frequenz entspricht. Der Wert des Widerstandes R5 ist so
bemessen, daß Tr 1 nichtleitend wird, da nach der Entladung von C 1 der Haltestrom
von Tr 1 unterschritten wird. Damit aber Tr4 mit Sicherheit leitend bleibt,
ist der Vorwiderstand R6 vorgesehen. Damit der Widerstand R6 das Zeitglied des Oszillators
nicht beeinflußt, ist die Diode D2 eingefügt.
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Die Schwingung mit höherer Frequenz dauert nun so lange an, bis Tr3
in den sperrenden Zustand umgeschaltet wird. Dadurch wird der Stromfluß in Tr4 unterbrochen
und der Thyristor also gesperrt. Dadurch, daß die Spannung von der Basis von Tr
1
abgeschaltet wird, wird dessen Emitter-Baisis-Strecke leitend, und der Kondensator
C 1 entlädt sich. Damit ist der Ausgangszustand hergestellt. Wenn Tr3 erneut leitend
wird, wiederholt sich der beschriebene Vorgang.
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Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 könnte es sich nachteilig
auswirken, daß der Widerstandswert des Zeitgliedes nach dem Zünden des Thyristors
noch immer durch den Transistor Tr2 verändert werden kann, also die Frequenz der
Impulsfolge nicht konstant ist. Dieser Nachteil wird durch die abgeänderte Schaltung
nach F i g. 4 behoben.
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Bei dieser Schaltungsanordnung wird die Wirkung des Transistors Tr2
im entsprechenden Zeitraum dadurch aufgehoben, daß Tr2 vom Thyristor Tr4 überbrückt
wird. Damit vor dem Zünden von Tr4 an diesem eine ausreichende Spannung anliegt,
die in gewissen Fällen an der dazu parallelgeschalteten Kollektor-Emitter-Strecke
von Tr2 nicht zur Verfügung steht, ist Tr4 über den hochohmigen Widerstand R7 an
das volle positive Potential gelegt. Dies ist natürlich nur von Wirkung, wenn die
Anode von Tr4, solange sie am positiven Potential liegt, von Tr2 abgetrennt ist.
Hierzu dient die Diode D3.
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Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 5 sind die Funktionen des
Kondensators C1, der Diode D1, der Widerstände R 1 bis R4 und R6, der Transistoren
Trl bis Tr3 und des Thyristors Tr4 die gleichen wie bei der Schaltungsanordnung
von F i g. 3. Abweichend hiervon erfolgt jedoch der Eingriff vom Thyristor Tr4 auf
das Zeitglied des Oszillators durch Ansteuern des Transistors Tr2 über den Widerstand
R3. Wenn Tr4 zündet, wird Tr2 mehr ausgesteuert, und der Kondensator C 1 lädt sich
schneller auf. Um Rückwirkungen auf die Basis von Tr2 zu
verhindern, wenn
Tr4 noch gesperrt ist, ist die Diode D4 eingefügt. Der Widerstand R8 dient im wesentlichen
zur Anpassung an den Eingang 11.
Da die Kathode des Thyristors bei dieser
Schaltung auf Nullpotential liegt, eignet sie sich auch zum direkten Ansteuern des
Thyristors Tr4 ohne Übertrager.
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Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung von F i g. 6 ist die gleiche
wie die der Schaltungsanordnung von F i g. 5. Es fehlt jedoch der Übertrager mit
den Wicklungen W l., W 2 und W3. Der Thyristor Tr4 wird in diesem Falle mit
dem am Widerstand R9 entstehenden Impuls in den leitenden Zustand umgeschaltet.
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Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung von F i g. 7 entspricht
derjenigen von F i g. 3. Der Eingangswiderstand an der Klemme 11 ändert sich
impulsartig mit dem Schalten des Transistors Tr3 in F i g. 3. Das könnte sich störend
auf die Arbeitsweise des dem Eingang 11 vorgeschalteten Schaltkreises (z. B. Regler)
auswirken. In der Schaltungsanordnung von F i g. 7 wurde dies dadurch vermieden,
daß der Widerstand R 2 an Stelle an das geschaltete Potential an das positive Potential
gelegt wurde, so daß ein konstanter Eingangswiderstand erzielt wird.
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Abweichend von den bisher beschriebenen Schaltungsanordnungen der
F i g. 3 bis 7 ist bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 8 zur Beeinflussung des
Zeitgliedes des Oszillators an Stelle des Thyristors ein bistabiler Multivibrator
verwendet.
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Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung von F i g. 8 ist folgende:
Nach dem Sperren des Transistors Tr7 kann sich der Kondensator Cl über den Transistor
Tr2 mit konstantem Strom aufladen. Wenn die Durchbruchsspannung am Unijunetion-Transistor
Tr
1 erreicht ist, wird die Emitter-Basis-Strecke dieses Transistors
leitend, und der Kondensator C 1
kann sich über den Widerstand R9 entladen.
Dabei entsteht ein positiver Impuls. Der Kondensator C2 konnte sich über die Widerstände
R 1 und R 16 sowie den leitenden Transistor Tr6 des bistabilen Multivibrators (Transistoren
Tr5 und Tr6, Diode D5 und Widerstände R 10 bis R 15) aufladen. Wenn nun der
Transistor Tr 1 leitend wird, wird durch den an der Basis dieses Transistors
entstehenden Impuls der Kondensator C2 kurzzeitig auf ein weniger positives Potential
gebracht. Der Ladungszustand von C2 paßt sich über die Widerstände R 10 und
R 11 und die Diode D6 den neuen Verhältnissen an. Der dadurch erhöhte Spannungsabfall
an dem Widerstand R 11 bewirkt ein Umschalten des bistabilen Multivibrators.
Der Transistor Tr5 wird leitend und verändert sich über den Widerstand R3 und den
Transistor Tr2 den Widerstand des Oszillatorgliedes. Durch die Diode D4 wird
eine Rückwirkung von R 10 auf Tr2 verhindert, wenn Tr5 sperrt. Es entstehen
nun am Ausgang 13 Impulse höherer Frequenz. Impulse an der Basis von Trl
haben keinen Einfluß auf den Multivibrator mehr, da C2 entladen ist (über R 1, R
12 und R 16).
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Unterbrochen wird die Impulsfolge durch ein Leitendwerden des Transistors
Tr7 (über den Widerstand R7), über dessen Kollektor-Emitter-Strecke der Kondensator
C
1 entladen wird. Dadurch wird über die Diode D 7 ein nahe Null liegendes
Potential an die Basis des Transistors Tr5 gelegt. Dadurch wird der bistabile Multivibrator
wieder in den Ausgangszustand gebracht. Der Transistor Tr5 sperrt wieder. Die Diode
D 7 hat den Zweck zu verhindern, daß das während des Schwingens dauernd mehr oder
weniger positive Potential am Emitter des Transistors Tr
1
nicht an
die Basis des Transistors Tr5 gelangt. Die Zenerdiode
D5 muß so bemessen
sein, daß während dieser Zeit die Diode D 7 gesperrt bleibt.
| Verzeichnis der verwendeten Bezeichnungen |
| Bezugszeichen Bezeichnung |
| 1 Eingang für Sperrimpuls |
| 2 Eingang für Variation von f2 |
| 3 Oszillator |
| 3a Zeitglied des Oszillators |
| 4 bistabile Schaltgruppe |
| 5 Impulsformer und/oder |
| Verstärker |
| 6 Ausgang |
| 11 Eingangsklemmen |
| 12 |
| 13 Ausgangsklemmen |
| 14 |
| Bezugszeichen Bezeichnung |
| Trl Unijunction-Transistor |
| Tr4 Thyristor |
| Tr2-Tr3 Transistor |
| Tr5,Tr7 |
| C1, C2 Kondensator |
| R 1-R 17 Widerstand |
| D1-D4 |
| D6-D7 Diode |
| D 5 Zenerdiode |
| W1-W3 Ubertragungswicklung |
| Tl-T3 Periodendauer |
| fi =11T1 |
| f2=1/T2 |
| f3 - 1/T3 |