DE2020422A1 - Bistabile Steuerverstaerkeranordnung und eine damit zu bildende steuerbare Schaltvorrichtung zur Beeinflussung elektrischer Stroeme und zur Verwendung als Baustein fuer Automatisierungszwecke - Google Patents

Description

DIPL.-ING. B. E. FINKBNBR DIPL.-ING. W. BRNBSTI

4Θ3 Bochum

Helnrich-Kenig-Strafie 18 Fernsprecher ι 4IS SO, 43327 Telegrammadresse: Badtpatent

N.V. Auco

Wi.icb.en (Niederlande)

Bistabile Steuerverstarkeranordnung iind eine damit zu bildende steuerbare Schaltvorrichtung zur Beeinflussung elektrischer Ströme und zur Verwendung als Baustein für Automatisierungszwecke

Die Erfindung betrifft eine bistabile Steuerverstärkeranordnung und eine damit zu bildende steuerbare Schaltvorrichtung ohne bewegliche Teile, die elektrische Ströme - vor allem Wechselströme- zu beeinflussen vermag. Insbesondere auf dem Gebiet der elektronischen Automatisierung besteht einstetig wachsendes Bedürfnis nach Schaltvorrichtungen der oben beschriebenen Art, die dabei den nachstehenden Forderungen genügen sollen: einfache Ausführung, grosse Betriebssicherheit, geringe Empfindlichkeit gegen Netz- und Strahlungsstörungen; ausserdem sollen derartige Vorrichtungen - wenn sie zum Steuern vonMagnetschaltern verwendet werden - eine scharf definierte Stromein- und -ausschaltkennlinie beibehalten, ungeachtet der grossen Verschiedenheit an Erfordernissen, die im betreffenden Anwendungsbereich an&en Eingang bzw. die Eingänge, dem bzw. denen die Steuer- oder Kommandosignale zugeführt werden, gestellt werden können. Es soll möglich sein, dass der kontaktlos geschaltete Ausgang mechanisch unterbrochen wird,

0 0 9847/1588

ohne das im Funktionieren irgendeines Teiles des Vorverstärkers eine Störung eintritt, um einen Anschluss an die bestehenden elektrotechnischen Schalttechniken zu erhalten, wo die Steuerlinien nach Magnetschaltern oft über Unterbrechungskontakte anderer Schalter geführt werden, z.B. zur Vermeidung einer gleichzeitigen Einschaltung von zwei Schaltern. Die Vorrichtung soll weniger Rundfunkstörungen hervorrufen, als Verstärker mit einem Relaisausgang, ohne dass die dazu erforderlichen Entstörungsvorkehrungen den Selbstkostenpreis stark erhöhen, wie dies öfter bei Halbleiterschaltelementen der Fall ist, oder dass abgeschirmte Leitungen nach der gesteuerten Belastung notwendig sind.

Die Vorrichtung soll äusserst gedrängt sein, vorzugsweise ohne die Anwendung integrierter Elemente zur Beibehaltung der Anpassungsflexibilität. Sie darf keine umfangreichen Transformatoren oder Spulen enthalten und bei der Netzwechselspannungsspeisung soll sie einmal eine Spannung liefern, die sich eignet zur Steuerung von für diese Heizspannung als Norm vorhandenen zu schaltenden Schaltern, Ventilen oder Magneten, Lampen oder Elementen und zum andern die Speisegleic.hspannung für die an den Eingang anzuschliessenden Steuerelemente und Vorverstärker liefern.

Die Erfindung bezweckt unter Verwertung einer neuen Ausführung ■für eine bistabile Steuerverstärkeranordnung die Beschaffung einer äusserst einfachen, mit Halbleitern ausgeführten, steuerbaren Schaltvorrichtung, die den o.e. Spezifikationen entspricht. Die Erfindung beruht auf einer dreifachen Erkenntnis über das Verhalten von drei verschiedenen Halbleiterelementen, die in der richtigen Kombination die o.e. überraschende Einfachheit ergeben.

Zunächst einmal ist es bekannt, dass ein Triodenwechselstromschal telement (Triac) durch einen Steuerstrom an seinem Tor leitend gemacht werden kann. Wenn man diesen Steuerstrom einschaltet, sinkt der Leitungswiderstand zwischen den Hauptanschlüssen sehr rasch auf seinen Mindestwert ab. Der erforderliche Steuerstrom am Tor hat aber ein Minimum, das überschritten werden muss, ehe im Element eine Leitung eintritt. Erhöht man also langsam den Torstrom ab O, so wird erst nach einiger Zeit beim Ue.bers anreiten dieses Mindestwertes eine Leitung entstehen.

009847/1588

Ein Schaltelement 1, das (wie in Fig. l) mit einer Belastung 2 in Reihe geschaltet ist, wird beim ^ehliessen eines Schalters 3, der das Netz über einen Widerstand 4 mit dem Tor des Elements 1 verbindet, erst eingeschaltet werden, wenn die augenblickliche Netzspannung schon einen bestimmten ^ert erreicht hat. Der Spannungs- und Stromverlauf über den Triac zeigen dann das Bild von Fig. la (für die Widerstandsbelastung).

Das Einschalten bei jeder halben Periode ergibt eine Reihe /on Störimpulsen, welche die Anwendung abgeschirmter Leitungen oder einer Drosselspule in Reihe mit dem Triac erforderlich machen mit den dabei benötigten Kondensatoren und RC-Mitgliedern.

Erfindungsgemäss soll daher der Steuerstrom schon vorhanden sein bei Beginn jeder Sinushälfte der Spannung am Triac und da diese Spannung eine Phasenverschiebung mit der Netzspannung durch die '

induktieve Belastung 2 aufweisen kann, ist es gewünscht, nach dem Einschalten der Steuerstrom am Tor Aufrechtzuerhalten· Man erhält die Möglichkeit dazu bei der Schaltung nach. Fig. 2. Mittels einer Diode 7" eines Kondensators 8 wird dann eine Gleichspannung erzeugt, die genügend abgeflächt ist, um über den Schalter 3 und den Widerstand 4 den Torstrom zu liefern, der niemals den Minimumstrom unterschreitet, der erforderlich· ist, um den Triac leitend zu halten. Es ist deutlich, dass im wiedergegebenen Anschlusssinn der Diode 7 eine negative Torspannung angelegt, wird, wodurch eine Zündung im zweiten und dritten Quadranten erfolgt, in der ^egel noch die am meisten zu bevorzugenden Bereiche des Triacs zu diesem Zweck. Eine -Umkehrung der . Diode und der Torspannung kann bei passenden Triacs ohne weiteres a

erfolgen. Der Triac verhält sich bei eingeschaltetem Torstrom wie zwei entgegengesetzt parallelgeschaltete Kreise, die je zwei in Reihe geschaltete Dioden umfassen. Eine Einschaltung in beiden Vorrichtungen erfolgt beim Erreichen der (tatsächlich doppelten) Diodenspannung, wodurch praktisch der volle Sinus durchgelassen wird, ohne nach der Einschaltung noch irgendeine Störerscheinung aufzuweisen.

Die zweite Erkenntnis, auf der die Erfindung beruht, ist das merkwürdige Verhalten bestimmter. Wechselstromschaltdioden, die für die Zündung von Triacs verwandt werden. Diese - auch Diacs genannten Schaltelemente schalten im Gegensatz zu normalen Schaltdioden bei einer bestimmten Gleichspannung ein und verlieren ihre Leitfähigkeit erst bei einer niedrigeren, jedoch noch verhältnismässig hohen Spannung. Das geschieht sehr plötzlich und sie weisen diesen Effekt in iwei Richtungen auf. Für gängige Typen liegt die Triggerspannung

009847/1588

(überspannung) auf + oder - 35 Volt und die Ausschaltspannung (Unterspannung) auf + oder - 28 Volt.

* ■ Schliesst man nach Pig. 3 einen Diac 9 im Gegensatz zu seiner normalen Anwendung in Reihe mit dem Widerstand 4 an eine Gleichspannung an, während dieser Diac durch einen variabelen Widerstand überbrückt ist, so wird der Diac sich einschalten, wenn die Durchbrechung sspannung erreicht wird. Die Spannung über den Diac verringert sieh dann bis zur Unterspannung, die aufrechterhalten wird, zo lange der Diac genügend Strom zugeführt bekommt und weist in diesem Zustand eine Art Zenereffekt auf. Selbst in Anwesenheit einer Welligkeitsspannung am Kondensator 8 wird diese "Unterspannung" sehr stark stabilisiert sein.

Verringert man den Widerstand 10, so wird dieser mehr Strom führen und den Diae-Strom abnehmen. Unter einem bestimmten spezifischen Wert schaltet sich der Diac wieder aus, so dass der volle Hauptstrom plötzlich durch den Widerstand 10 flieset. Die Spannung über diesen steigt dann an wodurch die Oberspannung des Diacs erreicht werden und ein pulsierender Effekt entstehen kann.

Nur bei Diacs mit einem sehr grossen Unterschied zwischen der Oberspannung und der Unterspannung lässt sich das vermeiden. Der Diac verhält sich also in dieser einen Richtung wie eine Reihenschaltung einer normalen Schaltdiode und einer Zenerdiode, wobei die Spannung über die Zenerdiode die Unterspannung, die Schaltdiodenspannung die Unterschiedsspannung und die Summe die Oberspannung dea Diacs vertreten.

Die dritte Erkenntnis, auf der die Erfindung beruht, ist die Spannungsabhängigkeit eines dagegen nicht stabilisierten Transistorverstärkers (siehe Fig. 4)· Dieser ist mit dem Diac parallelgeschaltet und aus einem Transistor 11, einem Emitterbasiswiderstand 15 und einem ^egelwiderstand 10 aufgebaut. Befindet sich in dieser Schaltung der Diac in leitfähige» Zustand,also auf Unterspannung, so ist auch der Transistorverstärker an diese niedrige Speisespannung angeschlossen. Ein überraschendes Element der Erfindung steekt nunmehr in dem folgenden Effekt:

Erhöht man den Basisstrom des Transistors 11, so wird dieser Transistor einen, zunehmenden Strom führen, wodurch wider der Strom durch den Diac verringert wird. Beim Erreichen des Minimumstroms schaltet sich der Diac aus und der volle Strom fliesst nun durch den Verstärker mit dem Traneistor 11. Dadurch wird die Spannung an

009847/1588

diesem Verstärker ansteigen und damit auch die Spannung über ofen Spannungsteiler, der durch die Widerstände 10 und 13 gebildet wird) wodurch die Spannung über den Widerstand 13 zunimmt und also der Transistor veiter ausgesteuert wird. Der Transistor verhält sich in diesem Pail jedoch nicht linear:

Der Strom durch den Transistor nimmt überproportional der Spannung zu. Dadurch kann die Oberspannung des Diacs nicht erreicht werden und der Strom flieset nach wie vor durch den Transistorverstärker, während der Diac keinen höheren Strom führen, als einen äusserst geringen l>eckstrom. Vergrössert man nun den Widerstand 10, so nimmt der Strom durch den Transistor ab und die Spannung über den Verstärker steigt an. Dieses schreitet zo weit fort, bis die "Oberspannung" des Diacs erreicht wird, der sich dann wieder einschaltet und die Spannung über den Verstärker wieder.auf die Unterspannung herabsetzt. Bei diesem letzten Schaltzustand war die Einstellung des durch die Widerstände 10 und 13 gebildeten Spannungsteilers jedoch derart, dass beim Einschalten des Diacs die Spannung über den Widerstand 13 soweit abfällt, dass der Transistor aus seinem Arbeitsbereich läuft·

Dieser führt danach praktisch keinen Strom mehr und der Hauptstrom geht also praktisch völlig durch den Diac.

Um den Diac nunmehr wieder auszuschalten, ist eine erhebliche Verringerung des Widerstandes 10 erforderlich. Daneben ist bei einer durchschnittlichen Grosse des Widerstandes 10 die Schaltung bistabil mit einer sehr grossen Stabilität in beiden Stellungen und einer sehr geringen ütürempfindlichkeit. Erfindungsgemäss wird dieser Effekt dadurch günstig beeinflusst, dass man den Widerstand 4 derart &m die Speisespannung anzupassen, dass der gelieferte Gesamtström für den Diac und den Verstärker nur wenig über dem Minimumstrom des Diaos liegt. Der durch den Verstärker zu führende Strom zur Ausschaltung des Diacs ist dann gering und die Eingangsempfindlichkeit als sehr gross. Auf diese Weise wird erfindungegemäss ein« bistabil· SteueryerStärkeranordnung mit einer Konfiguration wie in Fig. 4 gezeigt, zur Verfügung gestellt. Durch die relativ geringe Zahl der Einzelteil· bietet eine solche AuafÜheungsfora eine in herstellungetechniecher Sicht vorteilhafte Lösung.

Erfindungsgemäe· ist der Emitterbaeiawideretand 13 wesentlich für das beschrieben· Verhalten des Transietorverstärkers. Dieser darf nicht zu groaa sein, dft die Linearität des Verstärkers

009847/1888

bei diesen verhältnismässig hohen Spannungen dann zunimmt.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung können die o.e, Erkenntnisse zu einer Schaltvorrichtung in ihrer einfachsten Form ' führen, wofern man folgendes in Betracht zieht:

Der dauernd leitende Diac dissipiert viel Wärme und wird bei einem zu hohen Strom beschädigt. Der Steuerstrom für den Triac darf erfindungsgemäss ausserdem nicht zu weit über dem Haltestrom liegen, um in der Schaltung zu bewähren. Dabei wird die zulässige Dissipation nicht überschritten.

Andererseits stehen nach dieser Erkenntnis Triacs zur Verfügung, die bei diesem geringen Gleichstrom am Tor schon völlig leitend bleiben bei jeder an dieses Tor angelegten Spannung, die grosser ist als die Doppeldiodenspannung. Nach dem besagten weiteren Aspekt der Erfindung sind nunmehr die Schaltungen der Fig. 2 und 4 zu kombinieren, wofern der Bedingung, dass der Haltestrom des Diacs grosser ist als der benötigte Torstrom des Triacs, um dauernd leitend zu bleiben, entsprochen wird.

Es entsteht daan die Schaltung nach Fig. 5: Die Klemmen 5 und 6 sind an das Viiechselspannungsnetz angeschlossen, der Ü-Leiter vorzugsweise an 6 oder besser noch an eine geerdete Seite eines Speisenetzes.

Der Triac ist mit der Belastung 2, die ein Widerstand oder eine induktive Belastung sein kann, reihengeschaltet an dieses Netz angeschlossen. Ueber die Klemmen 5 und 6 ist ein Netzkondensator 12 angeordnet, um zu vermeiden, dass rasche NetzSchwankungen (Störimpulse) den Triac einschalten. Die Diode 7 liefert eine Gleichspannung mit einer gewissen Welligkeit am Kondensator Θ. Dieser speist über den Widerstand 4 den Diac 9» der auch mit dem Tor des Triacs 1 verbunden ist. Zwisohen der Oberseite des Diacs 9 und der Unterseite des Triaoß 1 ist der Transistorverstärker angeschlossen, bestehend ,aus den Transistor 11 und dem durch die Widerstände 10 und 13 gebildeten Spannungsteiler.

Der Widerstand 10 dient bei dieser Ausführung als variabler Eingangswiderstand: bei allmählicher ^fezgrösserung dieses Widerstandes D schaltet sich der Diao plötzlich ein, übernimmt den Hauptstrom durch den Widerstand 4 praktisch ganz und führt diesen dem Triac 1 zu, der weohselstromleitend wird und die Belastung 2 einschaltet·

Bei allmählicher Verringerung des Widerstandes 10 wird der Transistor 11 einen geringen Strom führen, woduroh der Diaestrom bis zum Haltestromwert abnimmt, weloh letzterer dann aber immer noch ausreicht, um den Triao völlig eingeschaltet zu halten. Bei weiterer Verringerung de«

0Q9847/1588

Diacstromes fällt der Diac plötzlich aus, der Transistorverstärker übernimmt den vollen Strom und der Triac unterbricht den Hauptstrom durch die Belastung 2. Der Eingangsverstärker mit dem Transistor 11 und dem--Diac 9 ist äusserst schnell, mit einigen Mikrosekunden Reaktionszeit. Diese Geschwindigkeit wird durch den Triac nut um einige Mikrosekunden verringert. Die Netzfreq.uenz bildet also die einzige Beschränkung der Reaktionszeit dieser Schaltvorrichtung.

Die überrasohende Einfachheit der erfindungsgemässen Schaltung entsteht durch die Aufrechterhältung der Unterspannung des Diacs als Speisespannung für den Eingangsverstärker, wofür also keine Sonderspeisung erforderlich ist. Dieses ist deswegen so wichtig, weil die Dissipation des Widerstandes 4 ziemlich gross ist und eine Sonderspeisuhg also die Dissipation der Schaltung erheblich steigern würde.

Die erhaltene Schaltvorrichtung kann schon als einfacher Photowiderstand-Scha.ltverstärker dienen, welcher Photowiderstand am Widerstand 10 verbunden wird. Die Vorrichtung liefert dann auch die dafür erforderliche Gleichspannung.

Die Anordnung des Transistorvorverstärkers ist bewusst so gewählt, um eine der Seiten des Eingangsregelwiderstandes mit der Neteklemme 6 verbinden zu können, was bei einem einseitig geerdeten Wechselstromnetz auf Erde hinauskommt. Die Schaltvorrichtung hat dann " einen geerdeten, auf Gleichspannung wirkenden Eingang, der niedriger ist als die Überspannung des Diacs. Man kann diese auf maximal 36 V oder 24 V erreichen und kann damit unter den landesgemäss zulässigen Höchstwerten für die Spannung elektronischer Steuereingänge bleiben.

Es ist erfindungsgemäss wesentlich, dass der Eingangsteil der Schaltvorrichtung an die Wirkung auf die variabele Spannung zwischen Unter- und Oberspannung des angewandten Diacs angepasst ist. Es wird z.B. immer zu vermeiden sein, dass die Oberseite des Diacs kapazitiv mit dem Abschluss 6 verbunden wird, weil damit ein Sägezahnimpuls am Tor des Triacs erzeugt wird, entsprechend dem ursprünglichen Grund, aus dem der Diac entwickelt wurde.

ürfindungsgemäss kann davon auch Gebrauch gemacht werden für das Pulsierenlassen der Schaltvorrichtung zum Erhalten eines Impulsgebers, der sich zur Steuerung eines Schrittschaltwerken eignet.

Hier ist (siehe Fig. 6) parallel mit dem Widerstand 10 ein RC-Glied 13-14 verbunden. Mit der Variation des Widerstandes 10 kann nun von "konstant ein" über "pulsierend" nach "konstant aus" geregelt werden. Man erhält also mehr als ein Schrittschaltwerk.

009847/1588

Erfindungsgemäss wird damit ein proportionaler Stufenregler erhalten, der praktisch keinen Hysterese-Effekt zeigt. Dieser ist an sich schon von grossein Interesse für die Anwendung in der Automatisierung und kann auch für die Signalisierung an Schaltpulten gute Dienste erweisen.

Erfindungsgemäss kann der Widerstand 10 ersetzt werden (siehe Fig. 7) durch einen oder mehrere Emitterfolger, die einen Transistor 18 und einen durch die Widerstände 16 und 17 gebildeten Spannungsteiler umfassen. Der Kollektorschalter 19 ermöglicht es, mit einem Eingang von einem einfachen auf einen doppelten Vorverstärker umzuschalten, um dadurch die Empfindlichkeit zu verändern. In offenem Zustand des Schalters 19 dient der Transistor 18 dann nur als Diode. Auch der Widerstand 16 ist wesentlich für ein richtiges Funktionieren der Schaltung.

^wenn man den Verstärkereingang der Ausführungsform nach Fig.6 kapazitiv dämpfen und Uebergangsefi'ekte durch den Kondensator vermeiden will, bo sind erfindungsgemäss Vorkehrungen zu treffen wie in Fig. 8 angegeben:

Das Eingangsdatum, d.h. das dem Eingang zugeführte Kommandosignal, wird über einen Widerstand 21 und längs des DämpfungsKondensators 15 über den Widerstand I4 der Transistorbasis zugeführt. Der Widerstand 20 vermeidet dann das "Pendeln" des RC-Gliedes 14-li). Die Oberseite des Widerstandes 20 kann statt an den Emitter auch an einen Zapfenpunkt des Speisewiderstandes 4 gelegt werden. Die Verstäritereingang wird durch die Dämpfung sehr unempfindlich gegen Strahlung und Störungen und kann ohne Abschirmung ausgeführt werden.

Eri'indungsKemäss lässt sich diese gedämpfte Schaltung kombinieren mit der von Fig. ¹J und Zusatz eines FET-Transistors 21 nach Fig. 9 zu einer Universalschaltvorrichtung mit drei Eingangsempfindlichkeiten von 100 Kilo-Ohm, 1 Megohm und 1 Giga-Ohm. Sogar bei der letzten Eingangsempfindlichkeit schaltet der Verstärker noch eindwandfrei ohne irgendwelche nachteiligen Uebergangserscheinungen.

In Fig. 9 ist mit den Eingangsklemmen 26 und 27 der FET-Vorverstärker, der das FET 21,.den Quellenwiderstand 22 und den Eingangsspannungsteiler 25-24 umfasst, verbunden. Der Widerstand 24 schaltet die Vorrichtung bei angepassten Dimensionen bei einem Widerstand von 1 Giga-Ohm aus und beim Grösserwerden wieder ein. Der kleine Kondensator 25 besorgt die Dämpfung gegen wechaeli'elder und Impulsstörungen. Ohne den Spannungsteiler kann der Verstärker auf

0 0 9 8 Λ 7/1588

statische Ladungen der Basiseingan^W des «Μ«.*.««. _solml_ ten. E₃ versteht sich, _da33 der Transistorverstärker von Fig. 5 _attoh umgekehrt werden kann (Fig. 10) und d
einen entgegengesetzten Tvpus ersetzt ^l^Z^llVLTuZ I₃

ZJlZsZ2t7iTsT ^un _d ^{d kann einseitis geerdet 3ein}·

eines temperaturabhängigen Widerstandes gibt dort

■—..

Transistors angeordnet ist. Die Anwendung eines RC-Gliedes zwischen der Basis und dem Kollektor dieses Transistors gibt dann wieder einen Uebergangseffekt, der proportional abhängig von dem Eingangswiderstand ist.

Die Schaltung nach Fig. 11 liefert eine überraschend einfache Ausgangsstufe für Computer und digitale Steuervorrichtungen: man wählt dann die Zenerspannung knapp unter der Hälfte der Arbeitespannung des Computers.

Aber auch analoge Ausgangssignale vom Computern lassen sich so ausgezeichnet auf jedem gewünschten Spannungsniveau ablesen. Die Eriindung gibt mit den Schaltungen der Fig. 5 und 11 also zwei Haupt-Formen, die mit einer Vielzahl von Vorsatzgeräten, die ein mit einer variabelen Impedanz übereinstimmendes Ausgangssignal liefern, verbunden werden können. Daneben gibt sie die besonderen Vorkehrungen zur Vermeidung ungewünschter Effekte an.

Semäas der Erfindung nach der Erfindung wird beim Umschlagen des Diacs der Strom im Transistor 11 plötzlich mit dem des Diaestroms verändern. Dieser Diaestrom reichte aus, um einen Triac zu schalten. Dies führt zu einer ZweischaItvorrichtung mit zwei Ausgängen, die entgegengesetzt geschaltet werden. Die Dissipation der Schaltung bleibt dann in beiden Stellungen gleich:

Fig. 12 gibt diese Schaltung, wo der Kollektor des Transistors mit dem Tor des zweiten Triace 29 verbunden ist, der in Reihe mit der zweiten Belastung 3^ parallel zum Netz verbunden ist.

Der Widerstand 31 ist so gewählt, daas er den Strom des Transistors 11 aufnimmt, wenn der Diac 9 noch nicht ausgeschaltet ist. Der äusserst geringe Spannungsabfall über den Widerstand 31 beeinflusst den Trane la torveretÄrker praktisch nicht, ao daarmlle

009847/15 8 8

2Q20422

vorhergehenden Erweiterungen bezüglich dieses Verstärkers wie immer unter dieselben Vorschriften fallen.

Wenn man Triacs anwenden will, die empfindlicher gegen ihre Torspannung sind, so liefert Pig. 13 eine Variante zu Fig. 12:

In Fig. 13 ist der Widerstand 3I durch den Blockiertransistor 32 ersetzt, der praktisch keinen Steuerstrom am Tor des Triacs 29 zulässt, so lange der Diac 9 leitend ist. Dieser Diac steuert dann näml. über den Widerstand 33 auch diesen Transistor 32 aus.

Wenn man die Vorrichtung mit einem für Impulse geeigneten Eingang zu versehen wünscht, so kann erfindungsgemäss der Transistorverstärker durch einen zweiten Diac ersetzt werden. Dies ist in Fig. 14 wiedergegeben. Hier ist in Reihe mit dem Diac 9 ein kleiner Widerstand 35 aufgenommen, der durch einen Kondensator 36 überbrückt ist. Der zweite Diac 34 ist einmal mit Erde und zum andern über einen Reihenwiderstand 37» der durch einen Kondensator 38 überbrückt ist, mit der anderen Seite des Widerstandes 4 verbunden. Der gemeinsame Punkt 39 kann nunmehr in Erdrichtung pulsiert werden, wodurch der eine Diac zu leiten aufhört und der andere zu leiten beginnt. Der vor.-—-'-ge s ehalte te Transistor 40 kann den benötigten Impuls geringer machen.

Die Wirkung lässt sich wie folgt erklären:

Wenn der Diac 9 leitet, wird der Widerstand 35 stromführend. Daher steht dann eine Spannung über den Kondensator 36. Die Spannung über den Kondensator 38 ist dann gleich Null, weil der Diac 34 keinen Strom führt. Dieser kann auch nicht leitend werden, weil der Diac 9 den Punkt 39 knapp über dessen Unterspannung hält, die niedriger ist als die Oberspannung des gleichartigen Diacs 34·

Pulsiert man nun 39 herab, so wird der Diac 9 löschen, aber die Spannung am Kondensator 36 bleibt noch kurz erhalten. Nach Beendigung des Nadelimpulses steigt dann die Spannung auf 39 und diese wird durch Abwesenheit von Spannung am Kondensator 38 zuerst den Diac 34 zünden lassen. Pulsiert man dann wieder, so löscht der Diac und zündet sich der Diac 9 wieder. Der erforderliche UmschaltimpuJ.3 ist stets gleichgerichtet und kann mit dem Transistor 40 umgekehrt werden.

Es ist deutlich, dass der Diac 34 wieder einen zweiten Triac steuern kann, wie in Fig. I5 angegeben.

Die Erfindung benutzt den bistabilen Charakter der Schaltung naoh Fig. 10 bei durchschnittlichem Wert der Wideretandes 13 zua

009847/1588

Erhalten eines impulsempfindlichen Einganges, der nun aber auch richtungsempfindlich ist: die Schaltung nach Fig. 16 schaltet bei einem negativen Impuls aus und bleibt aus. Bei einem positiven Impuls schaltet sie sich wieder ein und bleibt sie eingeschaltet.

Nach Fig. 17 wird mit dem Triac 1 wieder in überraschend einfacher Weise ein gegenseitig damit schaltender Triac 29 verbunden: der Emitter des Transistors 11 wird nun über den Widerstand 41 mit dem Tor des zweiten Triacs 29 verbunden. Der Widerstand J>1 führt den Strom wieder ab, wenn der Diac 9 eingeschaltet ist. Der Kondensator 42 entkuppelt den Emitter gegen Erde und gibt so eine grössere Eingangsempfindlichkeit. Die Vorrichtung eignet sich ausgezeichnet als Computerendstufe angesichts der äusserst geringen benötigten Impulsenergie und Spannung: fällt die Spannung am Eingangskondensator 43 rasch ab, so schaltet sich die Vorrichtung aus, nimmt sie schnell zu, so schaltet sich die Vorrichtung ein. Der Widerstand 41 kann auch durch eine Diode oder Zenerdiode ersetzt werden. Die Schaltung kann kapazitiv völlig von einem Computer getrennt werden.

Es ist von grossem Interesse, dass die beschriebenen

Ausführungsformen der erfindungsgemässen Schaltvorrichtung in sehr auseinandergehenden Weisen aus einer oder zwei Wechselstromquellen gespeist werden können, von denen im letzteren Fall die Spannung nicht gleich zu sein braucht unü sogar die Frequenz nicht.

Fig. 18 gibt an, wie die Vorrichtung von Fig. 5 ^aus zwei Netzen gespeist wird: das erste Netz ist an die Klemmen 47 und 48 angeschlossen und. speist die ursprünglichen EingangsKlemraen 5 ^unc* 6· Die Belastung 2 ist nun aber nicht mehr mit der Klemme 5 verbunden, sondern mit der Klemme 45 des zweiten Netzes, das über die Klemme 46 auch mit der Eingangsklemme 6 verbunden ist. Sowohl die Spannung wie ;ie Frequenz des zweiten Netzes dürfen von denen des ersten Netzes abweichen, wofern man dafür sorgt, dass eine Kup.-.lung der Netze geutattet ist und der Triac 1 an die Spannung und die Frequenz des zweiten Netzes angepasst ist, .während der erforderliche Torstrom der Speeifikation des Vorverstärkers nach wie vor genügt. Die Schaltvorrichtungen lassen sich auch unbedenklich parallel an einem Lipeisenetz speisen und erwünschtenfalls auch parallel an einem zweiten Speisenetz mit den Belastungen anschliessen.

Wendet man einen Netztrennungstransformator an, so kann vorzugsweise die Klemme 6 geerdet werden. Dann kann man alle Arten von Eingängen so ausführen, dass diese sich auch einseitig an Erde legen, was eine gegenseitige Beeinflussung der verschiedenen parallel-

009 84 7/1588

geschalteten Schaltverstärker nach der Erfindung vermeidet.^ U 4 U τ·

Die Speisespannung kann erfindungsgsmäss auch aus Gleichspannung "bestehen für das erste Netz und aus pulsierender Gleichspannung füi^ das zweite Netz» Dabei muss aber für eine gute periodische Nullstellung der Spannung dieses Netzes:gesorgt werden, sonst löscht der Triac nicht nach dem Ausschalten des Diacs. Der Triac kann in diesem Fall durch einen Thyristor mit derselben Eingangsempfindlichkeit ersetzt werden^

Die Erfindung bezweckt hiermit die Schaffung einarUniversalschal tirorrichtung, die in einfacher V/eise an zahlreiche Arten von Eingangselementen, Vorverstärkern, Computern u.dgl. wie diese bei der Automatisierung benutzt werden, angepasst werden kann. Auch die Speisung ist in vielen Variationen möglich und gibt dem Automatisierungsfachmann die Freiheit, diese seinen Bedürfnissen anzupassen.

Die Vorrichtung kann sehr klein gebaut werden, sogar mit einfachen Komponenten, und zwar durch ihre überraschende Einfachheit und die geringe Zahl der Einzelteile. Die Betriebssicherheit ist gross und die Lebensdauer ausserordentlich lange im Vergleich zu Schaltungen mit denselben Komponenten, die sinusschneidend sind. Diese schalten tatsächlich mit doppelter Netzfrequenz, was eine schnellere Alterung, vor allem des '^riacs, bewirkt als beim erfindungsgemässen Schaltverfahren. Die einfache Anwendung eines Neonindikators parallel zum Belastungsausgang gibt auch ohne Anschluss dieser Belastung an, ob die Vorrichtung eingeschaltet ist. In Fig. ist diese in Form der Neonlampe 49 und des Reihenwiderstandes 50 angegeben, die über die Belastung 2 geschaltet sind. Diesen kann noch der sehr grosse Widerstand 51 parallel zum Triac 1 hinzugefügt werden. Man erhält nunmehr die nachfolgenden Kontrollangaben aus der Neonlampe: ist die Belastung angeschlossen, so geht die Neonlampe beim Schalten der Vorrichtung voll an und aus. Ist die Belastung nicht verbunden, so brennt die Neonlampe bei eingeschaltetem Triac voll und bei ausgeschaltetem Triac halb. Man erhält dann in komplizierten Ausgangsverbindungen über Hilfskontakte unmittelbar die Information, ob die Belastung verbunden ist oder nicht. Man kann so ohne ein elektronisches Messinstrument die richtige Wirkung der Vorrichtung überprüfen Das ist von grösstem Interesse für die Beschickung der Schaltvorrichtung durch Elektrotechniker, die keine besondere elektronische Ausbildung durchgemacht haben.

009847/1588

Nach einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis, kann der Diac durch eine Kombination mehrerer Komponenten ersetzt werden, die dieselbe gemeinsame Wirkung zeigen wie der einfache Diac:

Fig. 20 zeigt einige Möglichkeiten:

Fig. 20a gibt einen Thyristor 54» der mit einer Zenerdiode eingeschaltet wird und in Reihe mit einer Zenerdiode 56 verbunden ist, Fig. 20b gibt eine Variante dazu,

Fig. 20c gibt den Thyristor mit Zünddiode, ersetzt durch eine Schaltdiode 57»

Fig* 2Od bietet eine Losung mit zwei Transistoren und zwei Zenerdioden,

Fig. 20e bietet eine Transistorschalteinheit mit einer Zenerdiode in üerie.

009 8.4 7/1588

Claims (5)

1. Ansprüche

   Iy Bistabile Steuerverstärkeranordnung, gekennzeichnet durch drei parallelgeschaltete Stromzweige, nämlich eine Schaltelektrode, ein Transistor und eind Spannungsteiler, dessen Abzweigpunkt an die Transistorbasis angeschlossen ist, wobei dieser Spanningsteiler so bemessen ist, dass der Transistor so lange die Schaltdiode leitend ist und dadurch die Speisespannung der Steuerverstärkeranordnung auf die Unterspannung der Schaltdiode herabsetzt, praktisch keinen Strom führt, während die Transistorbasis, wenn ein geringer zusätzlicher Steuerstrom durch die Transistorbasis fliessen gelassen wird, weiter ausgesteuert wird, wodurch der Kollektorstrom zunimmt und für die Schaltdiode ein ungenügender Haltestrom übrigbleibt, so dass diese blockiert, wodurch die Speisespannung über den Steuerverstärker plötzlich zunimmt und der Transistor von dem Spannungsteiler aus noch weiter ausgesteuert wird, wobei der Kollektorstrom dieses Transistors so zunimmt, dass die Oberspannung der Schaltdiode durch die Speisespannung des Steuerverstärkers nicht erreicht werden kann und die Schaltdiode also stromlos bleibt; dass umgekehrt die Speisespannung, des Steuerverstärkers durch eine geringe Verminderung des Steuerstroms durch die Transistorbasis so zunehmen kann, dass die Oberspannung der Schaltdiode wohl erreicht wird, wodurch diese in den leitenden Zustand geschaltet wird und die Speisespannung der Steuerverstärkeranordnung auf den Unterspannungswert der Schaltdiode herabgesetzt wird, so dass der Spannungsteiler den Transistor wieder so weit zurückregelt, dass durch die Schaltdiode dauernd ein Strom fliesst, der hoher ist als der Haltestrom der Schaltdiode; dass der Speise-Widerstand, über den der Steuerverstärker mit einer gleichgerichteten Spannung gespeist wird, so bemessen ist, dass dieser einen Gesamtstrom durch den Steuerverstärker fliessen lässt, der grosser ist als der Haltestrom der Schaltdiode zuzuglich des Stroms, der bei derselben Haltespannung der Schaltdiode durch den Spannungsteiler flieset; dass die Schaltdiode oder der Transistor den Ausgang des Steuerverstärkers bildet.
2. 2. Bistabile Steuerverstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerverstärkeranordnung in eine steuerbare Schaltvorrichtung aufgenommen ist, umfassend ein Triodenhalbleiterschaltelement, das in Reihe mit einer Belastung an ein Speisenetz angeschlossen werden kann, eine Gleichspannungsquelle, aus der der Strom zum Steuern des Tors des Triodenhalb'leiterschaltelements erhalten wird, wobei diese letztgenannte Spannung geliefert wird über einen durch den Speisewiderstand gebildeten Serienkreis und die bistabile Steuerverstärkeranordnung, in deren stabilem Zustand über ihren Ausgang ein ununterbrochener Strom dem Tor des Triodenhalbleiterschaltelements zugeführt werden kann«

   0098A7/1588
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ~^Ί· Spannungsteiler der Steuerverstarkeranordnung aus zu beeinflussenden Widerstanden zusammengesetzt ist.
4. U. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 "bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Widerstände des Spannungsteilers ganz oder teilweise durch einen Kondensator überbrückt ist, der gegebenenfalls mit einem Reihenwiderstand versehen ist, alles das derart, dass der Steuerverstärker sich wie ein unstabiler Multivibrator verhalten wird.
5. 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis k dadurch gekennzeichnet, dass der Speisewiderstand der Steuerverstarkeranordnung so bemessen ist, dass der Gesamtstrom durch den Steuerverstärker nur ein wenig hoher ist als der Haltestrom der Schaltdiode zuzüglich des Stromes durch den Spannungsteiler; dass dabei an den zweiten, den Halbleiter umfassenden Zweig der Steuerverstarkeranordnung das Tor eines zweiten Triodenhalbleiterschaltelements angeschlossen ist, um eine zweite Belastung entgegengesetzt der ersten Belastung zu schalten.

   9847/1588