DE2301455B2 - Umschalteinrichtung zur wahlweisen Verbindung eines von zwei Signaleingängen mit einem Signalausgang - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Umschalteinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruches genannten Art.

Derartige Umschalteinrichtungen verwendet man z. B. bei der Umschaltung des Grundfrequenzbandes und/oder des Zwischenfrequenzbandes bei Mikrowellen-Übertragimgssystenien, u. a. zur Umschaltung auf ständig betriebsbereite Hilfssysteme (Standby-Systeme). Man kann zur Umschaltung nun entweder elektronische Systeme unter Verwendung sehr schaltschneller Dioden oder aber elekiromechanische Systeme unter Verwendung elektromagnetischer Relais einsetzen. Die ersteren haben den Nachteil zu hohen Nebensprechens. Die Erfindung geht daher von einein System unter Verwendung elektromechanischer Relais aus.

Bei den bekannten Umschalteinrichtungen der eingangs genannten Art (s. die Beschreibung einer dem Anmelder bekanntgewordenen Signalumschalteinrichtung anhand von Fig. la und Ib; vgl. ferner die FR-PS 1559805, die nicht mit elektromechanischen Relais, sondern mit Reed-Relais arbeitet) tritt jedoch bei gleichzeitiger Betätigung der Relais infolge der Tatsache, daß die Schaltzeit ja nicht unendlich klein ist, eine momentane Unterbrechung des Signalflusses auf. In anderen Worten: Der Signalfluß wird unterbrochen, während der eine Signaleingang bereits vom Signalausgang abgeschaltet ist, die Schaltbewegung des Kontaktes, mit dem der andere Signaleingang an den Signalausgang angeschaltet wird, jedoch noch nicht beendet ist. Das führt gerade bei Umschaltungen auf Staiidby-Systeme zur Unterbrechung des normalen Betriebs, die ja gerade durch die Bereitstellung von Standby-Systemen vermieden werden soll, und ist daher unerwünscht. Umschalteinrichtungen an sich, die ohne Unterbrechung arbeiten, sind jedoch bekannt (DE-OS 1947104).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Signalumschalteinrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß eine Unterbrechung des Signalflusses am Signalausgang nicht auftritt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung besteht also in der Kombination mehrerer Maßnahmen: Durch die in Reihe geschalteten veränderlichen Widerstände kann die Ansprechzeit der Relais eingestellt werden; durch die parallelgeschalteten veränderlichen Widerstände können die Abfallsgeschwindigkeiten verändert werden. Dadurch, daß den Wicklungen der elektromagnetischen Relais jedoch nicht die Widerstände allein, sondern mit ihnen in Reihe auch Dioden parallel geschaltet sind, ist gewährleistet, daß die dadurch erfolgte Einstellung der Abfallzeit nicht auch die Einstellung der Ansprechzeit beeinflußt. Die mit den Widerständen zur Einstellung der Ansprechzeit in Reihe geschalteten Dioden sorgen dafür, daß die den Wicklungen der Relais parallelgeschalteten Reihenschaltungen aus je einer Diode und einem veränderbaren Widerstand sich gegenseitig nicht beeinflussen. Unter diesen Voraussetzungen wird es möglich, die eingangs gestellte Aufgabe dadurch zu lösen, daß man die Ansprech- und Abfallzeiten der Relais so bestimmt, daß das Abschalten eines Signals erst dann eingeleitet wird, wenn das Zuschalten des anderen Signals bereits erfolgt ist, so daß keine momentane Unterbrechung des Signalflusses eintritt. Die Erfindung liegt also in der Kombination dieser Maßnahmen zur Lösung dieser speziellen sich bei Umschalteinrichtungen ergebenden Aufgabe. Sie geht davon aus, daß es an sich bekannt ist, die Abfallzeiten von Relais durch Parallelschaltung eines Widerstandes oder einer Reihenschaltung eines Widerstandes mit einer Diode zu verlängern (Druzhinin, Time Relays 1961, Z. 1 bis 7, insbes. Fig. If auf S. 2 und Fig. 2b auf S. 6; Goetsch, Ta-

schenbuch für Fernmeldetechniker, 1943, S. 101 bis 103, DE-PS 947097 und DE-PS 1954449) oder zu diesem Zweck eine Parallelschaltung eines Kondensators oder eines Kondensators mit in Reihe geschalteter Diode vorzusehen (DE-PS 1954449). Auch wird die Erfindung dadurch nicht nahegelegt, daß es bereits bekannt war, Umschalteinrichtungen als Koaxial-Schalterso auszubilden, daß die Wicklungen der Relais getrennt betätigt werden konnten (US-PS 2958052).

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht nun folgendes vor: Um nun zu vermeiden, daß nun doch eventuell eine wenn auch nur geringfügige Unterbrechung des Signalflusses auftritt, wenn sich die Ansprech- und/oder Abfallzeiten der Relais nach längerer Zeit etwas verändern, kann man eine gewisse Überlappung der Schaltvorgänge vorsehen, derart, daß die Abschaltung des einen Signaleingangs vom Signalausgang erst eine geringfügige Zeitspanne nach dem Zeitpunkt erfolgt, in dem das neu zuzuschaltende Signal von dem anderen Signaleingang an den Signalausgang angeschaltet worden ist. Während dieser überlappenden Zeitspanne sind also mit dem Signalausgang beide Signaleingänge verbunden. Das führt jedoch zu einer momentanen Erhöhung des Pegels am Signalausgang, der natürlich ebenso wie eine momentane Unterbrechung des Signalflusses unerwünscht ist. Um dies zu vermeiden, sieht die Weiterbildung der Erfindung vor, daß einer der zwischen einem Signaleingang und einem Abschlußwiderstand vorgesehenen Umschaltkontakte als brückenbildender Kontakt ausgebildet ist, der eine bestimmte Zeitspanne während seiner Bewegung sowohl einen Kontakt mit dem zugeordneten Signaleingang und dem Signalausgang als mit dem Abschlußwiderstand herstellt.

Durch Verwendung des brückenbildenden Kontaktes liegen also während der Überlappungszeit gleichzeitig am Signalausgang beide Signaleingänge und der Abschlußwiderstand an. Damit bleibt der Signalpegel am Ausgang gleich. Es wird also auf diese Weise dafür Sorge getragen, daß trotz der Überlappung keine momentane Erhöhung des Signalpegels auftritt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. la und Ib eine bekannte Umschalteinrichtung,

Fig. 2 einen Grundschaltkreis, wie er bei der Erfindung Verwendung findet,

Fig. 3 Ansprech- und Abfallzeit des Grundschaltkreises nach Fig. 2,

Fig. 4 eine Schaltung der Wicklungen der Relais bei der Schaltung nach Fig. Ib nach einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 Ansprech- und Abfallzeiten des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 b und 4 bei ideal unterbrechungsloser Schaltung ohne Überlappung der Schaltzustände,

Fig. 6 ein Ersatzschaltbild der Schaltung nach Fig. Ib während einer Überlappung der Schaltvorgänge zur Erläuterung der Zunahme des Signalpegels an einer am Signalausgang liegenden Last,

Fig. 7 Ansprech- und Abfallzeiten des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 b und 4 bei einer Überlappung der Schaltzustände,

Fig. 8 ein Ersatzschaltbild der Schaltung nach Fig. Ib während der Überlappung der Schaltzustände,

Fig. 9a, 9b, 9c eine schematische Darstellung der verschiedenen Positionen eines brückenbildenden Schalters.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Umschalteinrichtung, mit der wahlweise einer der beiden Signaleingänge A und B mit dem Signalausgang C verbunden werden kann. Die Wicklungen AL₁, RL₂, RL, und AL₄ von vier elektromagnetischen Relais werden dabei, wie aus Fig. la ersichtlich, durch einen Schalter 5 mit einer Quelle E verbunden. Die Umschaltkontakte W₁, rl₂, W₃ und W₄ der Relais AL₁ bis AL₄ bilden in der aus Fig. 1 bersichtlichen Form ein Netzwerk zwischen den beiden Signaleingängen A und B und dem Signalausgang C. Ein Abschlußwiderstand A₀ liegt zwischen Erde und einem der feststehenden Kontakte der Relais. Die Relais RL₁ bis AL₄ sind Koaxial-Relais. Die Kontakte W₁ bis r/₄ sind mit den Leitern koaxialer Kabel verbunden.

Ist 5 offen, so ist der Signaleingang A mit dem Signalausgang C verbunden. Die beweglichen Kontaktelemente der Umschaltkontakte W₁ und W₂ sind dann in Kontakt mit den oberen feststehenden Kontaktelementen. Der Signaleingang B wird vom Abschlußwiderstand R₀ abgeschlossen. Bei Schließen von S werden die Relais RL₁ bis RL₄ gleichzeitig erregt; es wird dann der Signaleingang B mit dem Signalausgang C verbunden, und der Eingang A ist vom Abschlußwiderstand R₀ abgeschlossen. Wie aus Fig. Ib ersichtlich, dienen die Relais RL₂ und RL_A dazu, ein Leck des abgeschalteten Eingangssignals an den Ausgang C dadurch zu vermeiden, daß der Leitungsabschnitt zwischen den Umschaltkontakten W₁ und W₂ bzw. W₃ und W₄ geerdet wird.

In der Praxis unterscheiden sich bei solchen Schaltanordnungen die Ansprech- und Abfallzeiten der Relais voneinander. Das führt zu momentanen Unterbrechungen des zu schaltenden Signalflusses am Signalausgang C.

Mit Hilfe des in Fig. 2 gezeigten Grundschaltkreises kann die Ansprech- und Abfallzeit der Relais bei Zu- bzw. Abschalten der Quelle E durch die Verwendung zusätzlicher Impedanzen eingestellt werden. Parallel zu der Wicklung RL eines Relais RL leigt eine von der Diode X und dem veränderbaren Widerstand R_p gebildete Reihenschaltung; ferner ist ein veränderbarer Widerstand R_s in Reihe mit der Wicklung AL, der Quelle E und dem Schalter 5 geschaltet.

Durch Verwendung der Schaltelemente X, R_P und R_s wird die Ansprech- und die Abfallgeschwindigkeit des Relais AL, wie aus Fig. 3 ersichtlich, einstellbar. In Fig. 3 sind die Werte der Widerstände R_p und R_s als Abszisse aufgetragen; die Ansprechzeiten sind als Ordinate aufgetragen. Die Ansprechzeit auf Erregung des Relais AL wird durch Einstellung des Widerstandes R₁ (Kurve 1), die Einstellung der Ansprechzeit auf Entregung (Abfallzeit) wird durch Einstellung des Widerstandes R_p (Kurve 2) bestimmt Der parallel zum Relais RL liegende veränderbare Widerstand R_p beeinflußt die Ansprechzeit bei Erregung wegen Vorhandenseins der Diode X nicht; ihre Durchlaßrichtung ist der bei Schließen des Schalters S anliegenden Spannung entgegengesetzt gerichtet. Die Abfallzeit bei Entregung des Relais RL bei Abschalten der Quelle E durch öffnen des Schalters S wird dadurch bestimmt, daß die in der Erregerwicklung des Relais während Anliegens der Quelle gespeicherte Energie über den parallelgeschalteten Widerstand R₁, in

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Durchlaßrichtung der Diode X abgebaut wird.

Fig. 4 zeigt ein Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung des Grundschaltkreises nach Fig. 2. Dabei sind veränderbare Widerstände RV₁ bis RV₄ vorgesehen, die dem Widerstand R in Tig. 2 entsprechen. Außerdem sind Dioden X₅ bis X_x vorgesehen, die der Diode X nach Fig. 2 entsprechen.

Außerdem sind Dioden X_x bis X₄ vorgesehen. Sie sorgen dafür, daß die Einstellung der Abfallzeiten der Relais RL₁ bis RL₄ durch Einstellung der veränderbaren Widerstände RV₅ bis RV₁₁ voneinander unabhängig erfolgen kann.

Im folgenden wird der ideale Betrieb dieser Schaltanordnung für den Fall erläutert, daß bei den Relais RL₁ bis RL₄ keine brückenbildenden Schalter verwendet werden. Als »nicht-brückenbildender Schalter« wird ein einpoliger Wechselschalter bezeichnet (zur »Brückenbildung« bei Verwendung eines Quecksilberrelais s. weiter unten). Dabei wird Signalverbindung vom Signaleingang A zum Signalausgang C ohne momentane Unterbrechung auf eine Signalverbindung im Signaleingang B zum Signalausgang C umgeschaltet. Die Schaltvorgänge der einzelnen Umschaltkontakte sind in Fig. 6 dargestellt, Z₁ und /, bezeichnen die Zeitpunkte, zu denen die Umschaltkontakte H_i bzw. H₄ mit ihrer Schaltbewegung beginnen (die Aufeinanderfolge von I₁ und t₂ kann allerdings auch anders sein). Im Zeitpunkt I_} ist die Schaltbewegung der Umschaltkontakte H₃ und H₄ beendet. Zu diesem Zeitpunkt t_} beginnt dann auch die Schaltbewegung der Umschaltkontakte H_x und H₂. t₄ und ?₅ bezeichnen die Zeitpunkte, zu denen die Schaltbewegung der Umschaltkontakte ro, bzw. H₁ beendet ist (die Aufeinanderfolge der Zeitpunkte t₄ und I₅ kann auch anders sein).

Wie aus der zeichnerischen Darstellung ersichtlich, führt eine zeitliche Verzögerung der Zeitpunkte des Beginns der Schaltbewegung der Umschaltkontakte H₁ und H₁ über den Zeitpunkt I₃, in dem die Umschaltkontakte rl_} und H₄ ihre Schaltbewegung beendet haben, hinaus, daß sich die Signale am Signalausgang C innerhalb des Zeitraumes überlappen, in dem das bewegliche Kontaktelement bereits an den feststehenden Kontaktelementen anliegt. Ebenso gilt umgekehrt; wenn die Umschaltkontakte H₁ und H-, ihre Schaltbewegung beginnen, bevor die Umschaltkontakte H- und H₄ ihre Schaltbewegung beendet haben, entsteht am Signalausgang C eine momentane Unterbrechung des Sign^lflusses.

Wird nun, wie zur Durchführung der Erfindung vorgeschlagen, die Ansprechzeit der Relais /?L, bis RL₄ durch Justierung der veränderbaren Widerstände RV₁ bis RV₄ genau eingestellt, dann kann man einen idealen Schaltvorgang nach Fig. 5 erreichen. Die Einstellung der Abfallzeiten der Relais bei einer Abschaltung der Quelle, also bei Wiederherstellung des ursprünglichen Zustandes der Schaltanordnung nach einer Umschaltung, erfolgt nach denselben Grundsätzen.

Der ideale Betrieb des Umschaltvorganges, der in Fig. 5 dargestellt ist, ist stets vorzuziehen. Es ist jedoch in der Praxis nicht leicht, über einen langen Zeitraum hinweg die mechanische Stabilität der Funktion der Kontakte in dieser Weise zu gewährleisten. Für einen langfristigen Betrieb ist daher eine Schaltanordnung zu schaffen, die auch dann noch einen Betrieb ohne momentane Unterbrechung gewährleistet, wenn sich die Schaltzeitpunkte etwas verändern. Aus der vorangegangenen Beschreibung ist ersichtlich, daß durch Einstellung der veränderbaren Widerstände eine Umschaltung mit teilweiser Überlappung der Signale von den Signaleingängen A und B am Signalausgang C erreicht werden kann.

Während eines derartigen Umschaltvorganges mit Überlappung der Schaltvorgänge werden gleichzeitig an den Signalausgang C Signale von beiden Signaleingängen A und B her übertragen. Der Pegel des Signals am Signalausgang C muß also geglättet werden. Um zu erläutern, wie dies geschehen kann, sei auf das Ersatzschaltbild nach Fig. 6 Bezug genommen. Es zeigt, wie die beiden Signale mit gleicher Phase während des Umschaltvorganges miteinander kombiniert sind. Es veranschaulicht, wie der Pegel eines Signals am Abschlußwiderstand A₀ am Ausgang C während des Umschaltvorgangs (Verbindung beider Signaleingänge A und B mit dem Signalausgang C) um (^:/,)I/ (V₂)I, also um 2,5 dB höher ist, als dann, wenn nur ein Signal von einem der Signaleingänge an den Signalausgang C gelangt.

Um diesen Effekt zu vermeiden, also um eine Signalglättung am Ausgang C während des Umschaltvorgangs trotz der beschriebenen Überlappung der Schaltvorgänge zu erreichen, wird z. B. für das Relais RL₁ ein Quecksilber-Relais, das während des Umschaltvorgangs eine Brücke bildet (bei dem also zeitweilig eine Verbindung des beweglichen Kontaktelementes mit beiden feststehenden Kontaktelementen besteht) verwendet. Die Ansprechzeiten der Relais bei Einschaltung bzw. Erregung werden dann so eingestellt, daß sich der in Fig. 7 gezeigte Betrieb ergibt. Eine Veränderung des Pegels des an R₀ am Ausgang C anliegenden Signals wird dann vermieden, wie sich dies aus der Darstellung des Ersatzschaltbildes während des Umschaltvorganges (Kombination beider Signale) in Fig. 8 ergibt. Der während des Umschaltvorganges erzielte Pegel ist gleich dem Pegel vor und nach dem Umschaltvorgang trotz teilweisei Überlappung der an den Signaleingängen A und B stehenden Signale am Signalausgang C.

Ein während des Umschaltvorganges eine Brücke bildendes Quecksilber-Relais besteht hauptsächlich aus einem Schaltteil mit Kontakten, die in einem unter hohem Druck stehenden und mit Wasserstoff gefüllten abgedichteten Glasrohr angeordnet sind. Außerdem enthält das Glasrohr Quecksilber. Eine Armatur wird von einer elektromagnetischen Spule, die um den Schaltteil herum angeordnet ist, geschaltet. Der Kontaktteil ist infolge der Kapillarwirkung des Quecksilbers immer benetzt; das Öffnen und Schließen des Relais wird ebenfalls durch das Quecksilber bewirkt. Diese Relais sind vollkommen prellfrei und zeichnen sich durch hohe mechanische Stabilität und lange Lebensdauer aus. Der Schaltteil eines derartigen Quecksilberrelais einschließlich der zwischen dem beweglichen Kontakt einerseits und zwei feststehenden Kontakten andererseits während des Schaltvorgangs gebildeten Brücke ist in Fig. 9 dargestellt; Fig. 9a zeigt dabei die Lage vor Beginn der Schaltbewegung Fig. 9b die Endlage nach Beendigung des Schaltvorgangs. In der Zwischenlage bildet sich infolge der Adsorption von Quecksilber am beweglichen Mitteltei eine Brücke zwischen den feststehenden Kontaktelementen.

Es ergibt sich dabei z. B. die in Fig. 7 dargestellte Schaltfolge: /, und t₂ haben dieselbe Bedeutung wie

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in Fig. 5. t_} bezeichnet denjenigen Zeitpunkt, in dem die Schaltbewegung der Umschaltkontakte H₃ und H₄ beendet ist und in dem sich die Quecksilberbrücke am Kontakt H₁ des Relais RL₁ zu bilden beginnt. t₄ bezeichnet den Zeitpunkt, an dem der Umschaltkontakt H₂ seine Schaltbewegung beginnt, /₅ denjenigen Zeitpunkt, zu dem die Quecksilberbrücke am Umschaltkontakt r/, unterbrochen wird; /₆ bezeichnet schließlich den Zeitpunkt der Beendigung der Schaltbewegung des Unischaltkontaktes W₂. Die Aufeinanderfolge der Zeitpunkte i₅ und t_h kann auch anders sein. Dabei ist die Zeit zwischen I₃ und I₄ derart bestimmt, daß sich eine Überlappung der beiden an den Signaleingängen A und B anstehenden Signale am Signalausgang C ergibt. Während dieses Zeitraums stellt derjenige Abschlußwiderstand R₁₁, der an demjenigen Umschaltkontakt H₁, der durch die Schaltbewegung geschlossen wird, anliegt, eine gemeinsame Last für beide Signale an den Signaleingängen A und ßdar. Wie bereits erläutert und aus Fig. 8 zu ersehen, ergibt sich dadurch während der Brückenbildung beim Umschalten ein Stromfluß von der Größe V₂ I durch die Last R_u am Signalausgang C; die Größe des Stroms ist dieselbe wie bei Anliegen nur eines Signals. Dieses Prinzip ist gleichermaßen auf die Einstellung der Abfallzeiten der Relais bei ihrer Abschaltung (Entregung) anwendbar.

Im Ausführungsbeispiel wurde ein Quecksilberkontaktrelais als beispielsweise Ausführung eines während des Schaltvorgangs brückenbildendes Relais beschrieben; die Verwendung anderer Relais, die auch ohne die Verwendung von Quecksilber im Kontaktbereich während des Schaltvorgangs eine Brücke bilden, ist ebenfalls möglich.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   I. Umschalteinrichtung zur wahlweisen Verbindung eines von zwei Signaleingängen mit einem Signalausgang und des anderen der beiden Signaleingänge mit einem Abschlußwiderstand durch Umschaltkontakte zweier elektromagnetischer Relais, die in Reihenschaltung mit den Umschaltkontakten zweier weiterer elektromagnetischer Relais je zwischen einem Signaleingang und dem Signalausgang vorgesehen sind, wobei die weiteren Umschaltkontakte zur Erdung eines Leitungsabschnittes zwischen den in Reihe geschalteten Umschaltkontakten bei Abschaltung des diesem Leitungsabschnitt zugeordneten Signaleingangs dienen, und bei der die Umschaltung durch Schließen eines Stromkreises erfolgt, in dem die Wicklungen der elektromagnetischen Relais parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Ansprech- und Abfallzeiten der Relais (W₁, RL₁ bis W₄, AL₄) derart, daß die Bewegung der Umschaltkontakte (W₁, W₂), durch die ein Signaleingang (Λ) von dem Signalausgang (C) abgeschaltet wird, erst in demselben Zeitpunkt (r₃) oder danach beginnt, in dem die Bewegung der Umschaltkontakte (W₃, W₄), durch die der andere Signaleingang (B) an den Signalausgang (C) angeschaltet wird, beendet ist,

   a) in an sich bekannter Weise die Wicklungen (RL. bis RL₄) der elektromagnetischen Relais (W₁, RL₁ bis W₄, RL₄) mit ersten veränderbaren Widerständen (RV₁ bis RV₄) in Reihe geschaltet sind,

   b) den Wicklungen (RL. bis RL₄) der elektromagnetischen Relais (W₁, AL₁ bis W₄, AL₄) in an sich bekannter Weise Reihenschaltungen einer Diode (X₅ bis X-) mit einem weiteren veränderbaren Widerstand (RV₅ bis RV_S) parallel geschaltet sind, und

   c) zur gegenseitigen Entkopplung der zu den Wicklungen (AL₁ bis/?L₄) parallel liegenden

   hl (X RV bi X RV)

   g _{1 4}) p

   Reihenschaltungen (X _s, RV₅ bis
   Wi

   X_g, (R

   g ( _s, _{5 g} ^)

   den erstgenannten Widerständen (RV_x bis RV₄) weitere Dioden (X_x bis X₄) in Reihe geschaltet sind.
2. 2. Umschalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der zwischen einem Signaleingang und einem Abschlußwiderstand vorgesehenen Umschaltkontakte (W₁) als brückenbildender Kontakt ausgebildet ist, der eine bestimmte Zeitspanne (t₃ bis /₅) seiner Bewegung sowohl einen Kontakt mit einem zugeordneten Signaleingang (A) als auch mit dem Abschlußwiderstand (A₀) herstellt.