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Die Erfindung bezieht sich auf ein Schrittschaltwerk nach dem Prinzip
eines Schieberegisters mit taktweiser Weiterschaltung über eine n-stufige offene
oder geschlossene Relaiskette, bei welchem je Stufe ein Relais mit einer Wicklung
und einem Steuerkontakt vorgesehen ist, bei welchem die Relais ausschließlich über
zwei Sammelschienen erregt werden, indem eine zwischen diesen Sammelschienen anstehende
Spannung taktweise umgepolt wird, und bei welchem die Steuerkontakte und die Wicklungen
unterschiedlicher Relais durch Dioden entkoppelt sind.
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Bei diesem Schrittschaltwerk sind wie bei bekannten Schieberegistern
gleichartige Stufen in Art einer Kette hintereinandergeschaltet. Wenigstens eine
dieser Stufen befindet sich im Betriebsfall in einem Schaltzustand, der sich von
dem Schaltzustand der vorangehenden und der folgenden Stufe unterscheidet. Durch
Einwirken eines Schiebetaktes wird der Schaltzustand jeder Stufe von der folgenden
Stufe übernommen. Schließt man eine solche Kette durch Verknüpfung der ersten mit
der letzten Stufe, so entsteht ein Ringzähler.
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Schrittschaltwerke können in der gesamten Steuerungstechnik eingesetzt
werden, wenn ein Signal taktweise weitergegeben werden soll. Insbesondere lassen
sie sich als Programmschalter oder als Meßstellenschalter verwenden.
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Zum Erzielen einer hohen ausnutzbaren Taktfrequenz werden vor allem
in der Rechenmaschinentechnik Schieberegister seit längerem mit Halbleiterbauelementen
als aktiven Elementen ausgerüstet. Andererseits haben aber Relais verschiedene günstige
Eigenschaften, auf die man in der Steuerungstechnik nicht gern verzichtet. Vor allem
zeichnen sich Relais bekanntlich durch galvanische Trennung ihrer Kontakte sowie
hohe Schaltleistungen aus. Besonders vorteilhaft sind Relais mit Schutzrohrkontakten,
die allerdings bisher nur mit Schließern nicht zu teuer sind.
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Aus der Zeitschrift »Control Engineering«, 1962, Heft 7, S. 94, 95,
ist bereits ein Schieberegister bekannt, das in jeder Stufe ein als Haftrelais ausgeführtes
Schutzgaskontaktrelais mit einer Ansprechsowie einer Abwurfwicklung aufweist. Die
Anschlüsse der Wicklungen sind einerseits über je einen Widerstand an eine Sammelleitung
geführt, an der ein Pol einer Gleichspannungsquelle liegt. In Reihe zu der Ansprechwicklung
ist eine in allen Stufen gleichartig gepolte Diode sowie ein Schließer der vorangehenden
Stufe geschaltet. Zwischen dem Schließer und der Diode zweigt eine Verbindung über
einen Kondensator zu einer Sammelleitung ab, die über einen Schiebekontakt (A) an
den zweiten Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist. Von dem Schiebekontakt
(A) geht über einen Schiebekontakt (B) eine Sammelleitung für die
die zweiten Anschlüsse der Abwurfwicklungen und über einen weiteren Schiebekontakt
(C) eine Sammelleitung für die zweiten Anschlüsse der Ansprechwicklungen aus.
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Zum Weiterschalten dieses Schieberegisters muß zuerst der eine Schiebekontakt
(A) geschlossen werden, so daß sich ein Kondensator über einen Schließer aufladen
kann. Der Kondensator wirkt dabei als Mittel zur Speicherung der Schaltstellung.
Dann wird der Schiebekontakt (B) für die Abwurfwicklung geschlossen, und alle Relais
fallen ab. Daraufhin werden
| die genannten Schiebeko ntak |
| 51 W2 j; gI |
sodann wird der Schiebekontakt (C) für die Ansprechwicklungen kurzzeitig geschlossen,
damit sich der geladene Kondensator über eine Ansprechwicklung entlädt und das zugehörige
Relais anzieht.
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Für einen Schiebetakt sind also verhältnismäßig viele Schaltoperationen
erforderlich. Dieses Schieberegister kann darum nur mit verhältnismäßig niedriger
Taktfrequenz arbeiten. Außerdem ist die Steuerung der Schiebekontakte recht kompliziert.
Es wurde aber auch bereits eine einfacher aufgebaute und weiterzuschaltende Schieberegisteranordnung
vorgeschlagen.
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Jede Stufe dieser Anordnung enthält ein Relais mit einem Selbsthaltekontakt,
das über einen Vorwiderstand mit dem Selbsthaltekontakt des Relais der vorhergehenden
Stufe verbunden ist. In jeder Stufe ist ferner ein den Schiebeimpuls liefernder
Steuerkontakt vorgesehen, der die Ladespannung eines Kondensators auf die Relaisspule
schaltet. Alle Steuerkontakte werden für einen Schiebeimpuls gleichzeitig betätigt.
Wenn der Selbsthaltekontakt einer Stufe geschlossen ist, wird bei dem nächsten Schiebeimpuls
durch den Verschiebungsstrom des Kondensators das Relais der folgenden Stufe erregt,
das sich über seinen Selbsthaltekontakt hält. Bei dem darauffolgenden Impuls wird
dasselbe Relais entregt, weil ein Verschiebungsstrom entgegen dem Haltestrom durch
das Relais fließt.
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Es wurde auch schon vorgeschlagen, in jeder Stufe eines ähnlichen
Schieberegisters zwischen dem Speicherkondensator und dem Relaisstromkreis eine
Zenerdiode mit einer Zenerspannung vorzusehen, die etwa der Betriebsspannung entspricht.
Bei dieser Schaltung wird zur Eingabe des Schiebeimpulses zunächst ein die Betriebsspannung
unterbrechender und für alle Stufen gemeinsamer Kontakt geöffnet und daran anschließend
ein weiterer Kontakt kurzzeitig geschlossen. Nach Abfall aller Relais wird damit
die Betriebsspannung zu der Kondensatorspannung addiert, so daß an der Zenerdiode
bei geladenem Kondensator der doppelte Wert der Betriebsspannung anliegt. Unter
überwindung der Zenerspannung entlädt sich dann der Kondensator über ein Relais
und bringt dieses zum Ansprechen.
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Um bei Ausfall der Betriebsspannung die Information auch in den zuletzt
genannten Schieberegistern zu erhalten, können nach einem weiteren früheren Vorschlag
Haftrelais verwendet werden. Zur Nullstellung des Schieberegisters - also nicht
zur Weiterschaltung - wird gemäß diesem Vorschlag ein Umschalter vorgesehen, mit
dessen Hilfe die Betriebsspannung des Schieberegisters kurzzeitig umgepolt werden
kann.
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Zum Stand der Technik gehört ferner eine aus der deutschen Patentschrift
1109 741 bekanntgewordene Relaiskette, insbesondere für Fernsprechanlagen,
die aus gleichartigen Stufen gerader und ungerader Ordnungszahl aufgebaut ist. Die
Stufen werden über zwei verschiedene Sammelleitungen abwechselnd an eine Gleichspannungsquelle
angeschlossen. Zur Entkopplung der einzelnen Stufen sind zwei Dioden vorgesehen.
Jede Stufe besitzt neben einer Ansprech-und Haltewicklung, die den Relais verschiedener
Stufen zugeordnet sind, einen Kontakt, der bei Erregung der Ansprechwicklung der
zyklisch zugeordneten Stufe geschlossen und nach Umschalten der Gleichspannungsquelle
durch die Haltewicklung der eigenen Stufe geschlossen gehalten wird. Nach dem Umschalten
fällt der Kontakt der ursprünglich erregten
Stufe ab und der Kontakt
der der jetzt stromführenden Stufe zyklisch nachgeordneten Stufe wird zur Vorbereitung
für die nächste Umschaltung geschlossen. Dieser Vorgang spielt sich beim nächsten
Umschalten auf entsprechende Weise in den folgenden Stufen ab.
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Nachteilig ist bei dieser Relaiskette der hohe Aufwand, der nicht
nur durch die doppelten Stromzuführungen, sondern auch durch die beiden Wicklungen
jedes Relaisbedingt ist.
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Aus der deutschen Patentschrift 1089 811 ist auch bereits eine impulsgesteuerte
Relaiskette bekanntgeworden, deren Relais in Gruppen angeordnet sind, wobei jedem
Relais der einen Gruppe je ein Gleichrichter in der einen und jedem Relais der anderen
Gruppe je ein Gleichrichter in der entgegengesetzten Durchlaßrichtung zugeordnet
ist. Über eine gemeinsame Impulsleitung werden die Relais beider Gruppen durch einen
periodischen Wechselstrom gesteuert, der abwechselnd Relais aus jeder Gruppe überlappungsfrei
betätigt. Bei dem in dieser Patentschrift dargestellten Ausführungsbeispiel ist
jedes Relais in Reihenschaltung mit einem individuell zugeordneten Kondensator fest
zwischen der Impulsleitung und ein festes Gegenpotential, z. B. Erde, geschaltet.
Der Energiezustand des jedem Relais zugeordneten Kondensators wird durch einen Kontakt
des in der Kette vorgeordneten Relais in Abhängigkeit von dessen Schaltzustand beeinfiußt,
und zwar derart, daß dieser Kondensator durch den Kontakt des in der Kette vorgeordneten
Relais bei Erregung des Relais entladen wird. Durch das Schließen des Kontaktes
und die Entladung des Kondensators über einen Entladewiderstand wird der Ansprechkreis
des in der Kette folgenden Relais vorbereitet. Im Nulldurchgang des steuernden Wechselstromes
fällt durch die einsetzende Sperrwirkung des Gleichrichters das in der vorherigen
Halbwelle erregte Relais ab. Mit Ansteigen der nächsten Halbwelle des Wechselstromes
spricht das in der Kette folgende Relais durch den Ladestrom seines entladenen Kondensators
an.
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Nachteilig bei dieser impulsgesteuerten Relaiskette ist, daß die Relais
durch den Ladestrom des ihnen jeweils zugeordneten Kondensators erregt werden. Das
bedeutet, daß ein Relais nur so lange angezogen bleibt, solange ein entsprechend
großer Ladestrom fließt. Die Frequenz des steuernden Wechselstromes kann daher auch
nicht beliebig klein gewählt werden. Das ist aber insbesondere dann von Interesse,
wenn die Relaiskette an einer bestimmten Schaltstufe stillgesetzt werden soll. Zu
diesem Zweck muß bei der bekannten Relaiskette dann noch zusätzlich für jedes Relais
eine Haltewicklung vorhanden sein, die über einen weiteren Kontakt erregt werden
muß. Da für die Entladung der Kondensatoren über einen Widerstand eine gewisse Zeit
benötigt wird, kann die Frequenz des Wechselstromes nur verhältnismäßig wenig variiert
werden. Andererseits würde ein direktes Kurzschließen der Kondensatoren ohne Entladewiderstand
die Schaltkontakte infolge der hohen Kurzschlußströme erheblich belasten.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein mit Relais aufgebautes
Schrittschaftwerk nach dem Prinzip eines Schieberegisters zu schaffen, das möglichst
einfach weiterzuschalten ist. Damit sollen sich insbesondere auch hohe Taktfrequenzen
erreichen lassen. Ferner soll sich das Schrittschaltwerk durch geringen Aufwand
bei der Herstellung, unkritische Dimensionierung und Unempfindlichkeit gegen verhältnismäßig
hohe Betriebsspannungsschwankungen auszeichnen.
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Die Erfindung besteht darin, daß das Relais jeder Stufe einerseits
unmittelbar mit einer der beiden Sammelschienen verbunden ist und andererseits über
eine Diode und seinen eigenen Steuerkontakt sowie über eine gleichsinnig gepolte
Diode und den Steuerkontakt des Relais der vorhergehenden Stufe mit der anderen
Sammelschiene verbindbar ist, daß die Polung der beiden mit dem Relais einer Stufe
verbundenen Dioden von Stufe zu Stufe wechselt und daß die Abfallzeit der Relais
größer ist als ihre Anzugszeit, und zwar derart, daß das Relais einer Stufe nach
der Umpolung der zwischen den Sammelschienen anstehenden Spannung erst dann abfällt,
wenn sich das Relais der folgenden Stufe über seinen Steuerkontakt selbst hält.
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An Hand einer Zeichnung mit zwei Figuren wird ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Schrittschaltwerkes sowie eine Anwendung eines derartigen
Schrittschaltwerkes erläutert.
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F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schrittschaltwerkes
und F i g. 2 eine unter Anwendung zweier solcher Schrittschaltwerke aufgebaute Matrixanordnung.
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In F i g. 1 besteht das sehr einfache Schrittschaltwerk aus vier Stufen,
die mit Hilfe unterbrochen gezeichneter Linien voneinander abgegrenzt sind. Die
Stufen sind alle weitgehend übereinstimmend aufgebaut, wobei der Aufbau der geradzahligen
und ungeradzahligen Stufen jeweils identisch ist. Alle Stufen sind an zwei Sammelschienen
1, 2 angeschlossen.
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Jede Stufe weist ein einerseits an der Sammelschiene 2 liegendes Relais,
z. B. 20, mit einem Steuerkontakt, z. B. 21, auf. Von dem zweiten Anschlußpunkt
des Relais führt zu der Sammelschiene 1 ein Zweig mit einer Diode, z. B.
22, und einem in Reihe liegenden Steuerkontakt, z. B. 11, des Relais der vorangehenden
Stufe. Ein weiterer Zweig zu de-Sammelschiene 1 besteht aus der Reihenschaltung
einer wie die erstgenannte Diode, z. B. 22, gepolten Diode, z. B. 23, und dem Steuerkontakt,
z. B. 21, des betreffenden Relais. An diesen Steuerkontakt ist außerdem wieder über
eine entgegengesetzt gepolte Diode, z. B. 32, das Relais der folgenden Stufe, z.
B. 30, angeschlossen, das über eine weitere Diode, z. B. 33, und seinen Steuerkontakt,
z. B. 31, an der Sammelschiene 1 liegt usw.
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Das Schrittschaltwerk besteht also in diesem Fall aus vier in der
beschriebenen Weise zu einer Kette verknüpften Stufen mit den Relais 10, 20,
30, 40.
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Soll die Kette geschlossen werden, so verbindet man das Relais
1.0 der ersten Stufe über eine Diode 12 und eine Leitung 3 mit dem Steuerkontakt
41 der letzten Stufe. Für eine derart einfache Verbindung muß jedoch die Stufenzahl
n gerade sein.
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Zum Betrieb und zur Weiterschaltung des Schrittschaltwerkes werden
die Sammelschienen 1, 2 mit einer taktweisen umgepolten Spannung, vorzugsweise einer
bipolaren Spannung mit rechteckförmiger Kurvenform, beaufschlagt. Das beschriebene
Schrittschaltwerk wirkt dann wie folgt: Zunächst soll das Potential der Sammelschiene
1 positiv gegenüber dem der Sammelschiene 2 sein. Das Relais 10 sei gerade, z. B.
durch einen kurzen Startimpuls, von nicht in der Zeichnung dargestellten
Mitteln
erregt. Es geht in Selbsthaltung über, da ein Strom von der Sammelschiene
1 über den Steuerkontakt 11, die Diode 13 und das Relais
10 zur Sammelschiene 2 fließen kann.
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Kehrt sich die Polarität der an den Sammelschienen liegenden Spannung
um, so erfolgt der Stromluß nun zu der Schiene 1 über den zunächst noch geschlossenen
Kontakt 11, die Diode 22 und das Relais 20. Das Relais
20 hält sich wieder selbst über den Stromkreis mit der Diode 23 und
seinen Steuerkontakt 21. Dagegen fällt das Relais 10 ab, da die Diode
13 bei der vorliegenden Spannungsrichtung sperrt.
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Damit ist also lediglich durch Umpolen der Spannung an den Sammelschienen
das Schrittschaltwerk von der Stufe mit dem Relais 10 zu der Stufe mit dem
Relais 20 weitergeschaltet worden. Bei der nächsten Spannungsumkehr übernimmt
in grundsätzlich gleicher Weise das Relais 30 den Erregungszustand von dem
Relais 20 usf.
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Ist die Kette über die Leitung 3 zu einem Schaltring geschlossen,
so wird nach Ablauf eines Zyklus das Relais 10 über den Steuerkontakt 41 erregt.
Diese Anordnung eignet sich besonders gut für zyklisch umlaufende Meßstellenschalter.
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Zur richtigen Funktion des beschriebenen Schrittschaltwerkes ist es
erforderlich, daß das Relais einer Stufe erst dann abfällt, wenn sich das Relais
der folgenden Stufe selbst hält. Die Abfallverzögerung wirkt also im Augenblick
des Weiterschaltens als die Schaltstellung speicherndes Mittel. Zur Abfallverzögerung
genügt oft die mechanische Trägheit der Relais, insbesondere dann, wenn die Speisespannung
ihre Polarität wechselt. Falls erforderlich, können die Relais zusätzlich mit bekannten
Mitteln zur Abfallverzögerung versehen werden.
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Das Schrittschaltwerk nach der Erfindung läßt sich unter Berücksichtigung
der mechanischen Schaltglieder mit sehr hohen Taktfrequenzen, z. B. 300 Hz, weiterschalten.
Zur Realisierung der Schaltung werden außer einem Relais mit einem Schließer als
Steuerkontakt und weiteren freien Kontakten zum Einschalten der Meßstelle od. dgl.
pro Stufe lediglich zwei einfache Dioden benötigt. Die Betriebsspannung des Schaltwerkes
dient gleichzeitig zur taktweisen Weiterschaltung. Für die Spannungsversorgung und
Ansteuerung des Schrittschaltwerkes kommt man mit einer Doppelleitung aus. Das Schrittschaltwerk
läßt sich auch sehr einfach in einer bestimmten Schaltstufe stillsetzen, indem lediglich
die Umpolung der Speisespannung unterbrochen wird. Zur Aufrechterhaltung der Schaltstellung
der einzelnen Relaisstufen werden hierzu keine zusätzliche Haltewicklungen benötigt,
da die angezogenen Relais über ihre Steuerkontakte beliebig lange erregt bleiben.
Darüber hinaus ist das Schrittschaltwerk sehr betriebssicher, da es auch bei verhältnismäßig
großen Spannungsschwankungen einwandfrei funktioniert.
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Da bei dem erläuterten Schrittschaltwerk während des Weiterschaltens
kurzzeitig die Relais zweier aufeinanderfolgender Stufen angezogen sein müssen,
arbeitet es an sich überlappend. Wenn diese überlappende Betriebsweise stört, dürfen
nur an jede zweite Stufe Kontakte für die äußere Schaltung, z. B. die Meßstellen,
angeschlossen werden. Obwohl dann die Hälfte der Stufenzahl für die äußere Schaltung
inaktiv ist, kann das Schrittschaltwerk insgesamt noch mit hoher Geschwindigkeit
arbeiten. Noch bedeutend vorteilhafter läßt sich eine Überlappung vermeiden, wenn
Schrittschaltwerke nach F i g. 1 zur Ansteuerung einer Matrixanordnung eingesetzt
werden. Für h Meßstellenschaltglieder, vorzugsweise Relais, an den Verknüpfungsstellen
zweier sich kreuzender Leiterscharen werden dabei bekanntlich nur 2 Yni Ansteuerungsglieder
benötigt. Durch eine einfach durchzuführende schaltungstechnische Maßnahme können
zur Ansteuerung einer derartigen Matrix zwei Schrittschaltwerke nach F i g. 1 ohne
überlappenden Betrieb der in der Matrix angeordneten Relais voll ausgenutzt werden.
Diese Maßnahme wird im folgenden unter Zuhilfenahme von F i g. 2 erläutert: In F
i g. 2 ist eine Matrixanordnung mit zwei sich kreuzenden Leiterscharen dargestellt,
die lediglich vier spaltenweise angeordnete Leiter 15, 25, 35 und
45 sowie zwei zeilenweise ausgerichtete Leiter 55 und 65 aufweist.
An jedem Kreuzungspunkt der Leiter sitzt ein nicht näher bezeichnetes Relais mit
einer wie üblich in Reihe liegenden Diode.
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Für die spaltenweise angeordneten Leiter 15, 25, 35 und
45 ist ein vierstufiges Schrittschaltwerk vorgesehen, das mit dem in F i
g. 1 gezeigten identisch ist. An die zeilenförmig ausgerichteten Leiter
55, 65
ist ein zweistufiges, grundsätzlich gleich aufgebautes Schrittschaltwerk
mit den Relais 50,60 angeschlossen.
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Zur Ansteuerung eines Leiters der Matrix besitzt jedes Relais der
Schrittschaltwerke einen Schließer, der jeweils mit der Ziffer 4 an der zweiten
Stelle der Bezugsziffer bezeichnet ist. Über diese Schließer sind nun die aufeinanderfolgenden
Leiter einer Schar abwechselnd mit einer der beiden Sammelschienen des zugeordneten
Schrittschaltwerkes verbunden. So werden die Leiter 25, 45 von der Sammelschiene
1 gespeist und die Leiter 15, 35 von der Sammelschiene 2. In ähnlicher Weise
ist die Sammelschiene 5 des anderen Schrittschaltwerkes dem Leiter
55 und die Sammelschiene 6 dem Leiter 65 zugeordnet.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei zunächst positives Potential
der Sammelschienen 1 und 5 angenommen. Dementsprechend sind z. B.
die Relais 20
und 60 angezogen und die zugehörigen Schließer
24,
64 leiten einen Strom von der Sammelschiene 1 über das die
Leiter 25 und 65 verknüpfende Relais zu der Sammelschiene 6. Dabei
wird vorausgesetzt, daß die Sammelschienen 1, 2 sowie 5, 6 aus derselben Spannungsquelle
gespeist werden. Kehrt sich nun die Spannung an den Sammelschienen 1, 2 zur Weiterschaltung
des Schrittschaltwerkes um, so spricht wie erläutert das Relais 30 bereits
an, während das Relais 20 noch nicht abgefallen ist. Da aber in diesem Augenblick
beide Leiter 25 und 65 auf gleichem Potential liegen, kann das die
Leiter verknüpfende Relais bereits abfallen, bevor das Relais zwischen den Leitern
35 und 65 anzieht.
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Beim Weiterschalten irgendeiner Stufe, auch des Schrittschaltwerkes
mit den Relais 50, 60, spricht also bei geeigneter Ansprech- und Abfallcharakteristik
immer nur ein Relais in der Matrix an, obwohl kurzzeitig drei Leiter in den Spalten
bzw. Zeilen über Schließer in galvanischer Verbindung mit den Sammelschienen stehen.