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Die Erfindung betrifft ein Mehrstufen-Zeitrelais, insbesondere für
Schutzrelais, bei dem einem RC-Glied ein elektronischer Verstärker nachgeschaltet
ist, an dessen Ausgang über eine Leitung Kippstufen angeschlossen sind.
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Bei Schutzrelais sind im allgemeinen motorisch angetriebene Mehrstufen-Zeitrelais
vorgesehen, bei denen die Öffnungs- bzw. Schließzeiten der einzelnen Zeitstufenkontakte
unabhängig voneinander mit beliebig kleinen Zeitabständen eingestellt werden können.
Außerdem lassen sich alle Stufen auf »Unendlich« stellen und damit unwirksam machen.
Ferner besitzt das Zeitrelais einen Schleppzeiger, der bei Entkupplung oder Stillstand
des Antriebsmotors stehenbleibt und somit die Laufzeit des Relais bzw. die Störungsdauer
anzeigt. - Im Zusammenhang mit der Entwicklung elektronischer Schutzrelais stellt
sich daher auch die Frage nach der Entwicklung eines entsprechenden elektronischen
oder statischen Zeitrelais, wobei die Darstellung der Laufzeit des statischen Zeitrelais
oder der Störungsdauer ein besonderes Problem bildet.
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Es ist bereits ein Mehrstufen-Zeitrelais bekannt (electronics, B.
Juli 1960, S. 64), bei dem einem RC-Glied ein elektronischer Verstärker nachgeschaltet
ist, an dessen Ausgang über eine Leitung aus elektromagnetischen Relais bestehende
Kippglieder über jeweils eine Diode und einen Transistor angeschlossen sind. Die
Dioden selbst sind hintereinandergeschaltet, so daß durch ihre Durchlaßspannungen
unterschiedliche Schwellwerte für die einzelnen Kippglieder vorgegeben werden. Eine
freie Einstellbarkeit der Schwellwerte ist somit nicht möglich. Weiter stellen die
einzelnen den elektromagnetischen Relais vorgeschalteten Transistoren sowie weitere
den elektronischen Verstärker bildende Transistoren eine erhebliche Belastung des
RC-Gliedes dar, wodurch der Ladungszustand des Kondensators stark beeinflußt wird.
Die den einzelnen Relais zugeordneten Transistoren werden daher nach einem Ansprechen
des jeweiligen Relais abgeschaltet. Eine sich über längere Zeit erstreckende Anzeige
des Ladezustandes des Ladekondensators des RC-Gliedes ist bei dem bekannten Zeitrelais
nicht möglich.
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Weiter ist bereits ein elektronisches Distanzrelais bekanntgeworden,
bei dem für jede Zeitstufe ein gesondertes komplettes Zeitrelais vorgesehen ist.
Eine Darstellung der Laufzeit des Relais oder der Störungsdauer erfolgt bei dem
bekannten Relais nicht, womit eine in der Schutzrelaistechnik zur rückwirkenden
Aufklärung von Störungen häufig benötigte Information nicht verfügbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach aufgebautes
elektronisches Mehrstufen-Zeitrelais zu erstellen, das auch eine Darstellung der
Laufzeit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs angegebenen Mehrstufen-Zeitrelais
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verstärker von einem Feldeffekt-Transistor
gebildet wird und daß an den Ausgang des Verstärkers eine Einrichtung für die Anzeige
des Ladezustandes des Ladekondensators des RC-Gliedes angeschlossen ist. - Der erfindungsgemäß
vorgesehene Feldeffekt-Transistor besitzt vorteilhafterweise einen sehr hochohmigen
Eingangswiderstand. Im Gegensatz zu Transistoren, die von einem Strom angesteuert
werden, wird somit durch den Feldeffekt-Transistor der Ladezustand des zeitbestimmenden
Kondensators praktisch nicht beeinflußt. Dies ermöglicht nicht nur das Anschalten
von Kippstufen mit unabhängig voneinander wählbaren Ansprechwerten, sondern gestattet
auch die Anzeige des Ladezustandes des Ladekondensators durch eine nachgeschaltete
Einrichtung.
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Günstigerweise ist der Feldeffekt-Transistor als Kathodenfolger geschaltet.
Die dabei erzielte Gegenkopplung führt zu einer linearen Anzeige des Ladungszustandes
sowie zu einer Spannungsverstärkung von 1 : 1. Diese Spannungsverstärkung ergibt
weiter eine Fertigungsvereinfachung, weil sich Änderungen der Verstärkereigenschaften
praktisch nicht auf die am Ausgang des Verstärkers vorliegende Spannung auswirken.
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In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung wird zur Erzielung einer
möglichst linearen Einstellung der Ansprechwerte der Kippstufen der Ladewiderstand
des RC-Gliedes als Konstantstromquelle ausgebildet. Dadurch steigt die Spannung
am Ladekondensator des RC-Gliedes proportional an. -Weiter ist es günstig, im Kathodenkreis
des Feldeffekt-Transistors einen als Konstantstromquelle geschalteten Transistor
anzuordnen. Dies ergibt auch bei verschiedenen Spannungen am Gitter des Feldeffekt-Transistors
eine gleichbleibende Gitter-Kathoden-Spannung, da die Anodenrückwirkung im benutzten
Bereich vernachlässigbar ist. Der Arbeitspunkt des Verstärkers bleibt somit trotz
unterschiedlicher Eingangsspannungen praktisch stets gleich. Es liegt dann auch
am Ausgang des Verstärkers eine zeitproportional ansteigende Spannung vor.
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Um einen definierten Ablauf des Zeitrelais zu erhalten, wird günstigerweise
das RC-Glied von einem elektronischen Kontakt geschaltet, der beispielsweise aus
einer bekannten Kippstufe besteht. Dies ergibt ein prellfreies Schalten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist parallel zum Ladekondensator
ein Transistor angeordnet, der von dem das RC-Glied schaltenden Kontakt gesteuert
wird. Dadurch läßt sich vorteilhafterweise eine definierte Entladung des zeitbestimmenden
Kondensators und damit Rückstellung des Zeitrelais erreichen.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert werden, aus denen sich weitere Einzelheiten
sowie auch weitere Vorteile ergeben. - Dabei zeigt F i g. 1 ein Mehrstufen-Zeitrelais
mit einer Rückstelleinrichtung bei Beginn des Zeitablaufes, F i g. 2 ein Mehrstufen-Zeitrelais
mit Einrichtungen zum Erreichen einer linearen Abhängigkeit der Ansprechwerte der
Kippstufen von der Laufzeit.
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Das in F i g. 1 dargestellte Mehrstufen Zeitrelais besteht aus einem
RC-Glied 1, 2 mit dem Ladewiderstand 1 und dem Ladekondensator 2. Das RC-Glied
ist zwischen eine Betriebsspannung führende Leitung 10 und eine auf Bezugspotential
befindliche Leitung 11 geschaltet. An den Verbindungspunkt des Widerstandes 1 mit
dem Kondensator 2 ist das Gitter eines Feldeffekt-Transistors 3 angeschlossen, dessen
Kathode über einen Widerstand 4 mit der Leitung 11 und dessen Anode direkt mit der
Leitung 10 verbunden ist. Der Feldeffekt-Transistor 3 stellt einen als Kathodenfolger
geschalteten Verstärker mit hohem Eingangswiderstand und niedrigem Ausgangswiderstand
dar. Den Ausgang 5 dieses Verstärkers bildet die Kathode des Feldeffekt-Transistors
3. An diesen
Ausgang 5 sind über eine Leitung 6 Kippstufen 7, 8
angeschlossen, deren Eingangswiderstand gegenüber dem Ausgangswiderstand des Feldeffekt-Transistors
3 groß ist. Damit werden Rückwirkungen der Kippstufen aufeinander vermieden. - Die
Anzahl der Kippstufen wird entsprechend der Stufenzahl des Mehrstufen-Zeitrelais
gewählt. Die Kippstufen sind beispielsweise jeweils als ein aus zwei Transistoren
mit komplementärem Leitfähigkeitsverhalten bestehender Trigger ausgebildet, dessen
Ansprechwert mittels eines Potentiometers gewählt werden kann. Die Ansprechwerte
der einzelnen Kippstufen 7, 8 lassen sich somit stufenlos unabhängig voneinander
einstellen, wobei vorteilhafterweise die Unterschiede zwischen verschiedenen Stufen
beliebig klein sein können. Die Laufzeit einer Zeitstufe des Mehrstufen-Zeitrelais
ergibt sich aus der Einstellung des Ansprechwertes der jeweiligen Kippstufe. Das
zeitbestimmende RC-Glied 1, 2 mit dem nachgeschalteten, von dem Feldeffekt-Transistor
3 gebildeten Verstärker ist dabei für alle Zeitstufen nur einmal vorhanden.
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Das RC-Glied 1, 2 wird von einem als Kontakt 9
dargestellten
Schalter an die Betriebsspannung angeschaltet. Die Schließzeit des Kontaktes 9 entspricht
der Laufzeit des Zeitrelais und bestimmt den Ladezustand des Kondensators 2. Der
Kontakt 9 kann beispielsweise dem Anregerelais eines Schutzrelais zugeordnet sein.
Dann entspricht die Schließzeit von 9 der Anregezeit des Schutzrelais. An Stelle
des Kontaktes 9 kann vorteilhafterweise auch eine elektronische Kippstufe vorgesehen
werden, die ein prellfreies Zuschalten des Zeitkreises 1, 2 und des Transistors
3 bewirkt.
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Ferner ist für den Ladekondensator 2 eine Entladevorrichtung vorgesehen.
Sie besteht aus einem parallel zum Ladekondensator 2 angeordneten Transistor 28,
dessen Kollektor und Emitter mit Klemmen von 2 verbunden sind. Der Emitter liegt
dabei an der Leitung 11. Weiter ist zwischen der Basis von 28 und der Leitung 11
ein Widerstand 27 geschaltet sowie zwischen der Basis von 28 und einer Klemme des
Kontaktes 9 ein Kondensator 26 angeordnet. Der Widerstand 27 und der Kondensator
26 sind derart bemessen, daß bei einem Schließen des Kontaktes 9 der Transistor
28 für wenige Mikrosekunden aufgesteuert wird. Diese Zeit ist gegenüber der Laufzeit
des Zeitrelais von etwa 0,1 bis 10 sec. vernachlässigbar klein. Trotzdem wird in
dieser Zeit der Kondensator 2 bis auf die Kollektorrestspannung des Transistors
28 (wenige mV) entladen. Der Temperaturgang der Kollektor-Restspannung ist
vorteilhafterweise sehr klein, so daß nach erfolgter Entladung immer gleiche Anfangsbedingungen
bei Beginn eines Zeitablaufes vorliegen.
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Weiter ist an den Ausgang 5 des Feldeffekt-Transistors 3 eine Anzeigeeinrichtung
für die beispielsweise analoge Darstellung des Ladezustandes des Kondensators 2
- und damit der Laufzeit des Relais - angeschlossen. Da der Ladezustand von 2 bei
geöffnetem Kontakt 9 sich praktisch nicht ändert (der Eingangswiderstand des Feldeffekt-Transistor
3 ist nämlich außerordentlich hochohmig), kann die Anzeige verzögert erfolgen und
die Laufzeit noch nach längerer Zeit praktisch fehlerfrei abgelesen werden. Wie
in F i g.1 dargestellt, ist zwischen einer Anzeigeeinrichtung 30 und dem Ausgang
5 zweckmäßigerweise ein der Entkopplung dienender Verstärker 29 vorgesehen. Mit
dem Schließen des Kontaktes 9 wird der Transistor 28 kurzzeitig aufgesteuert, so
daß der Kondensator 2 sich schnell entlädt. Außerdem wird Spannung an das RC-Glied
gelegt. Nach Entladung von 2 und Sperren des Transistors 28 lädt sich dann der Kondensator
2 über den Widerstand 1 auf. Die jeweils am Kondensator 2 anliegende Spannung liegt
ebenfalls am Gitter des Feldeffekt-Transistors 3 an und steuert diesen derart, daß
eine entsprechende Spannung auch am Kathodenwiderstand 4 abfällt. Die Aufladung
des Kondensators 2 wird dadurch praktisch nicht beeinflußt, da der Widerstand der
Gitter-Kathodenstrecke von 3 sehr hochohmig ist. Sobald die Spannung am Widerstand
4 den Ansprechwert der Kippstufe 7 erreicht hat, spricht diese an und löst eine
bestimmte Schaltfunktion aus - bei einem Distanzrelais beispielsweise eine Umschaltung
der Reichweite. Eine Rückwirkung auf die Kippstufe 8 erfolgt beim Ansprechen der
Kippstufe 7 nicht. Der Ausgang des Verstärkers 3 ist nämlich niederohmig und der
Eingang der Kippstufen hochohmig. - Sobald die Spannung am Widerstand 4 den Ansprechwert
der Kippstufe 8 erreicht, spricht diese ebenfalls an. In entsprechender Weise
verhalten sich weitere in F i g. 1 nicht gezeigte an die Leitung 6 angeschlossene
Kippstufen. Der Zeitablauf wird beendet, falls der Kontakt 9 öffnet oder die Spannung
am Kondensator 2 die Betriebsspannung erreicht. Die jeweilige Laufzeit des Zeitrelais
kann an der Anzeigeeinrichtung 30 abgelesen werden.
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Die Aufladung des Kondensators 2 des RC-Gliedes 1, 2 verläuft bekanntlich
nach einer Exponentialfunktion. Um in einem größeren Bereich ein zeitproportionales
Ansteigen der Spannung am Kondensator 2 zu erhalten, sind daher besondere Maßnahmen
erforderlich. - Dies soll im folgenden an Hand von F i g. 2 erläutert werden. Dabei
wird jedoch auf eine wiederholende Beschreibung der bereits im Zusammenhang mit
F i g. 1 beschriebenen Teile verzichtet. Ferner ist in F i g. 2 nicht die Anzeigeeinrichtung
29, 30 dargestellt.
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Wie F i g. 2 zeigt, ist der Ladewiderstand des Kondensators 2 als
Konstantstromquelle ausgebildet, bestehend aus einem Transistor 16, der in
Reihe mit einem Widerstand 17 liegt. Der Kollektor des Transistors 16 ist über eine
Diode 18 mit einer Klemme des Kondensators 2, der Emitter über den Widerstand 17
mit der Leitung 10 verbunden. Die Steuerspannung für den Transistor 16 wird von
einem Spannungsteiler 12,13 geliefert, der zwischen die Leitungen 10,11 geschaltet
ist. Der Verbindungspunkt der Widerstände 12,13 ist über eine Diode 14 an die Basis
des Transistors 16 angeschlossen. Ferner ist zwischen die Basis von 16 und der Leitung
11 ein Widerstand 15 angeordnet. - Die Diode 14 dient zur Kompensation des Temperaturganges
der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 16. Die Diode 18 verhindert eine Entladung
des Kondensators 2 über den Transistor 16 bei geöffnetem Schalter 9.
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Der Schalter 9 ist - wie F i g. 2 zeigt - derart angeordnet, daß der
Feldeffekt-Transistor 3 ständig an Spannung liegt. Mit dem Schließen von 9 werden
der Transistor 16 und die mit diesem verbundenen Schaltelemente sowie der Kondensator
2 an Spannung gelegt, womit der Kondensator 2 mit konstantem Strom aufgeladen wird.
Die Spannung am Kondensator 2 steigt dann zeitproportional bis zu einem Wert an,
der durch Spannungsteiler 12,13 gegeben
ist. Am Ausgang des Feldeffekt-Transistors
3 ergibt sich damit ebenfalls ein weitgehend zeitproportionaler Anstieg der Spannung,
so daß man eine weitgehend lineare Skala für die Einstellwerte der Kippschaltungen
7, 8 erhält.
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Um die Linearität der Einstellwerte noch weiter zu verbessern, ist
- wie F i g. 2 zeigt - im Kathodenkreis des Feldeffekt-Transistors 3 ein als Konstantstromquelle
geschalteter Transistor 20 angeordnet. Dabei sind der Kollektor von 20 mit der Kathode
von 3 und der Emitter von 20 über einen Widerstand 21 mit der Leitung 11 verbunden.
Weiter ist zwischen die Leitungen 10,11 ein Spannungsteiler 24, 25 geschaltet.
Der Verbindungspunkt der Widerstände 24, 25 ist über eine Diode 22 mit der Basis
des Transistors 20 verbunden. Zwischen der Basis von 20 und der Leitung 10 liegt
außerdem noch ein Widerstand 23. Die Diode 22 dient der Kompensation des Temperaturganges
der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 20. Damit liegt am Emitter von 20 praktisch
die gleiche Spannung wie am Verbindungspunkt von 24, 25 an. Dies bedeutet, daß über
den Widerstand 21 ein entsprechender konstanter Strom fließt.
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Die bei offenem Schalter 9 auftretenden Gitter-Restströme des Feldeffekt-Transistors
3 werden über einen hochohmigen Widerstand 19 abgeleitet. Der Widerstand 19 ist
dabei derart bemessen, daß einerseits keine störende Aufladung des Kondensators
2 durch die Gitter-Restströme erfolgt und andererseits keine unzulässige Entladung
des Kondensators 2 bei geschlossenem Schalter 9 auftritt. - Der Kondensator 2 wird
durch eine in F i g. 2 der übersichtlichkeit wegen nicht gezeigte Einrichtung beispielsweise
bei einem Schließen des Kontaktes 9 entladen.
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Durch die vom Transistor 20 und den zugehörenden Schaltelementen gebildete
Konstantstromquelle wird erreicht, daß bei verschiedenen Spannungen am Gitter des
Feldeffekt-Transistors 3 die Gitter-Kathoden-Spannung gleich bleibt. Die Anodenrückwirkung
kann im benutzten Bereich vernachlässigt werden. Insgesamt ergibt dies eine weitgehend
lineare Zuordnung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung des Feldeffekt-Transistors
3. Die Linearität der den Ansprechwerten der Kippschaltungen 7, 8 zugeordneten Zeitskala
wird damit weiter verbessert. Die Wirkungsweise des Zeitrelais nach F i g. 2 entspricht
- abgesehen von den vorstehend beschriebenen Erweiterungen - der bereits beschriebenen
Wirkungsweise des Zeitrelais nach F i g. 1.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß ein elektronisches mehrstufiges Zeitrelais mit nur einem Zeitkreis erstellt
wurde, bei dem auch die Laufzeit angezeigt wird. Außerdem werden Einrichtungen für
eine lineare zeitproportionale Einstellung der Ansprechwerte der Zeitstufen angegeben.