DE2717787B2 - Zeitverzögerungsschaltung für Zeitrelais - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zeitverzögerungsschaltung für Zeitrelais, bei der ein Zeiteinstellpotentiometer vorgesehen ist und bei der der Ladevorgang einer ÄC-Schaltung mittels eines Spannungsvergleichers oder dergleichen überwacht wird, der die am Kondensator des flC-Gliedes ansteigende Spannung mit einer vorgegebenen Spannung vergleicht.

Eine solche Zeitverzögerungsschaltung ist durch die DE-OS 20 38 379 bereits bekannt. Diese mit einem programmierbaren UJT-Transistor arbeitende Schaltung der die Funktion des Komparators übernimmt, arbeitet jedoch nicht mit einem niederohmigen Spannungsteiler, sondern ist so aufgebaut, daß an einen Komparator ein Vergleichspotential gelegt wird, wobei das Bezugspotential des Spannungsteilers und des Zeitkondensators das Minimalpotential ist, also ein fest vorgegebenes, nicht einstellbares Bezugspotential. Die Widerstände sind in der bekannten Schaltung so geschaltet, daß sie in iherer niederohmigen Auslegung der Aufladung eines Kondensators dienen, wobei ein weiterer veränderlicher Widerstand lediglich der Einstellung der Zeitabgleich-Referenzspannung dient.

Damit ist bei der bekannten Zeitverzögerungsschaltung zwingend erforderlich, daß für lange Zeitbereiche der Ladewiderstand einen sehr hohen Widerstandswert besitzen muß, damit für einen kosten- und platzsparenden Aufbau noch ein Folienzeitkondensator Anwendung finden kann, der allein für die geforderte Genauigkeit der Zeitverzögerung Präzisionszeitrelais stabiler Kapazitätswerte in relativ kostensparender Ausführungsform ermöglicht.

Die bisher benutzten kostengünstigen, hochohmigen Großserien-Kohleschichtpotentiometer (z. B. > ca. 1 ΜΩ) sind mit großen Toleranzen behaftet, und zwar beziehen sich diese sowohl auf den Widerstandswert als auch auf ihre Linerarität und das Temperaturverhalten. Ist dieser hochohmige Ladewiderstand außerdem als Ferneinstellpotentiometer ausgebildet, haben Leitungs-Störgrößen einen starken Einfluß auf den Ladevorgsng des Zeitkondensators, wodurch unmittelbar die Genauigkeit des Zeitablaufs verschlechtert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrundr.. eine Zeitverzögerungsschaltung für Zeitrelais der eingangs

to genannten Art bei einfachem Aufbau mit einer möglichst ablesbaren Skala zu versehen, die im häufigst benutzten Einstellbereich gespreizt und von den Toleranzen des Ladewiderstands unabhängig ist Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich nenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Mittel gelöst

Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise, daß keine linearen Proportionalitäten der Toleranzen des Zeiteinstellpotentiometers und der eingestellten Zeit bestehen, so daß die Präzision der Zeitverzögerungen erhöht wird. Um Störgrößen auf einer Fernleitung zu unterdrücken, wird das Zeiteinstellpotentiometer zweckmäßigerweise niederohmig ausgelegt Dabei ist insbesondere vorteilhaft, daß sich niederohmige Poten tiometer, wie z. B. Metallschicht-, Drahtpotentiometer, verwenden lassen, die in ihren elektrischen Eigenschaften eine sehr hohe Qualität gegenüber hochohmigen Potentiometern mit Kohleschicht besitzen. Als Zeitkondensator ist wegen der geforderten hohen Genauigkeit der Zeitverzögerung ein Folienkondensator zu empfehlen. Für die hier interessierenden Zeitrelais besteht bekanntlich die Forderung nach VDE 0435 § 14 Punkt a), daß nach Absenken der Steuerspannung bzw. Versorgungsspannung auf 15% des Nennwerts die Zeitfunktion erneut gestartet werden kann, damit sich der Zeitstart nicht nur durch Anlegen der Steuerspannung mit einem Schalter, sondern auch mit einem induktiven Annäherungsschalter auslösen läßt, der dieselbe Bestimmung der VDE 043i erfüllt. Das wird hier vorteilhafterweise dadurch erreicht, daß ein steuerspannungsabhängiger Transistorschalter mit der Zeitverzögerungsschaltung in Verbindung steht.

Durch die beschriebene Schaltungsanordnung kommen die vorteilhaften Eigenschaften eines niederohmi-

■»5 gen Potentiometers in bezug auf die Präzision der Zeitverzögerung und der im Endbereich gedehnten Skalenteilung voll zur Wirkung. Noch vorhandene kleine Toleranzen, Temperatur- und Linearitätsfehler des niederohmigen Zeiteinstellpotentiometers haben auf die Präzision der Zeitverzögerung keinen linearen proportionalen Einfluß.

|-n folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es bedeutet

F i g. 1 eine bevorzugte Schaltungsanordnung eines Zeitkreises der beschriebenen Art,

Fig.2 ein schematisches Schaltbild entsprechend Fig. I in einer durch einen Kondensator ergänzten Ausführungsform,

Fig.3 eine Schaltung für einen gleichen Funktionsablaufeiner anderen Ausführungsform

Fig.4 ein Ausführungsbeispiel für den von der Steuerspannung abhängigen Transistorschalter, F i g. 5 eine weitere Ausführungsform der Schaltung für ein anzugsverzögertes Zeitrelais.

Ganz allgemein besteht die Schaltungsanordnung aus einer halbleitergesteuerten Zeitverzögerungsschaltung mit einem steuerspannungsabhängigen Transistorschal-

ter versehen für Zeitrelais. Die Zeitfunktion wird gestartet durch Anlegen einer Sieuerspannung. Sie erfüllt die Forderung nach VDE 0435 § 14, Punkt a); nach Absenken der Wirkungsgröße, also der Steuerspannung, auf 15% des Nennwerts kann die Zeitfunktion mit dieser Anfangsbedingung erneut gestartet werden. Für die Zeitfunktion wird der Ladevorgang eines Zeitkondensators ausgenutzt Die sich aufbauende Zeitkondensaton>pannung wird als zeitliche Funktion von einem Halbleiterelement ausgewertet, das unmittelbar oder durch ein weiteres Bauelement, ζ. Β. den Siromfluß, durch eine Schaltrelaisspule steuern kann.

Die Anforderungen an den Zeitkreis werden mit der vorliegenden Schaltung dadurch erfüllt, daß der Ladevorgang einer ÄC-Reihenschaltung mit einem Komparator in Form eines Spannungsvergleichers die am Zeitkondensator zeitlich ansteigende Spannung mit einer vorgegebenen Vergleicherspannung, durch einen niederohmigen Spannungsteiler erzeugt, vergleicht und bei Erreichen dieser auswertet, wobei der Zeiteinstellregler, der Bestandteil des niederohmigen Spannungsteiler ist, der ein aus der Vergleicherspannung gewonnenes und verstellbares Bezugspotential an den Zeitkondensatorder ÄC-Reihenschaltung ankoppelt.

Dadurch, daß ein steuerspannungsabhängiger Transistorschalter die Zeitkreisfunktion des Zeitkreises steuert, indem dieser die Versorgungsspannung für den Zeitkreis nach Überschreiten oder Unterschreiten seiner Schwellspannung an- oder abschaltet, wird die anfangs beschriebene Forderung aus VDE 0435 § 14, Punkt a) einwandfrei erfüllt

In der in den beiliegenden Zeichnungen gezeigten beispielsweisen Ausführungsform des Zeitkreises ist der Komparator als Vierschichtdiode bzw. programmierbarer Unijunktion-Transistor ausgebildet. An dem Programmiereingang liegt eine zeitbestimmende Vergleicherspannung an, die durch eine niederohmige Spannungsteilerschaltung erzeugt ist. Der Programmiereingang ist durch die Spannungsteilerschaltung mit einem Festwiderstand zum positiven Potential und bei einer vereinfachten Ausführungsform mit einem Widerstand mit einstellbarem Abgriff, also einem Potentiometer, welches das Zeiteinstellglied darstellt, zum negativen Potentioal der Versorgungsspannung des Zeitkreises geschaltet. Der Spannungsteilerzweig vom Programmiereingang zum negativen Potential besteht in einer Ausführungsform aus einer Reihenschaltung des Zeiteinstellreglers und einer Konstantstromquelle. Der Zeiteinstellregler, in diesem Fall bestehend aus einem veränderbaren Widerstarwi, ist hierbei auch mit dem Programmiereingang verbunden, wobei nur die Konstantstromquelle die Verbindung zum negativen Potential herstellt.

Der im Verhältnis zum vorher beschriebenen Spannungsteiler hochohmige, nicht veränderbare Ladewiderstand der zeitbestimmenden /?C-Reihenschaltung ist an das positive Potential der Versorgungsspannung geschaltet. Die beim Zeitablauf steigende Spannung am Zeitkondensator der flC-Reihenschaltung wird von der Anode der Vierschichtdiode bei der Verbindung zum Ladewiderstand abgegriffen. Der Zeitkondensator der ßC-Reihenschaltung ist bei der vorher beschriebenen vereinfachten Ausführung mit dem einstellbaren Abgriff des Potentiometers als Zeiteinstellregler verbunden.

Bei der ebenfalls vorher beschriebenen zweiten μ möglichen Ausführung ist der Zeitkondensator zwischen der Konstantstrom,,uelle und dem veränderbaren Widerstand als Zeiteinstellregler geschaltet. Durch diese beiden Ausführungsformen kann so das zeitbestimmende Bezugspotential für die ÄC-Reihenschaltung verstellt werden. Bei diesen Schaltungsanordnungen ist durch die Verstellbarkeit des Bezugspotentials für die RC-Reihenschaltung ein sehr großes Zeitregelverhältnis erreicht

Die Zeitverzögerungsschaltung, die eine Reihe von Ausführungsformen erlaubt von denen im folgenden einige erläutert werden sollen, gestattet es, die ÄC-Reihenschaltung hochohmig auszulegen, wobei der Ladewiderstand als hochohmiger Festwiderstand und das Zeiteinstellglied als Potentiometer, beide mit stabilen elektrischen Eigenschaften, ausgebildet sind.

Wie eingangs zum Stand der Technik ausgeführt, ist bei den herkömmlichen Zeitverzögerungsschaltungen der hochohmige Ladewiderstand als Zeiteinstellpotentiometer ausgebildet Da hochohmige Potentiometer durch ihren Fertigungsprozeß mit großen Widerstandstoleranzen :ind in der Praxis nicht kompensierbaren relativ Undefinierten Temperatur- wr.i Linearitätsfehiern behaftet sind, ist in dieser hrrkömmiichen ÄC-Reihenschaltung ein Präzisionszeitrelais nach den heutigen hohen Anforderungen nicht mehr realisierbar, denn die nachteiligen Eigenschaften des hochohmigen Potentiometers stehen im direkten linearen Zusammenhang mit der Verzögerungszeit Niederohmige Potentiometer sind mit definierten qualitativ viel stabileren elektrischen Eigenschaften versehen.

F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Zeitkreises. Zwischen den Eingar.gsklemmen KIi und Kl 2 der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 wird die Versorgungsspannung als Steuerspannung angeschaltet. Aus der Parallelschaltung eines niederohmigen Spannungsteilers, bestehend aus einem Widerstand R 2 und einem Potentiometer R 3 zur angelegten Versorgungsspannung, wird eine Vergleicherspannung erzeugt. Diese ist dem Anodengate (Programmiereingang) einer Vierschichtdiode Π (Komparator) zugeführt. Von der Vergleicherspannung wird mit dem einstellbaren Abgriff des Potentiometers R 3 ein drehwinkelabhängiges üezugspotential einem Zeitkondensator Cl zugeführt Die Vierschichtdiode Ti befindet sich in ihrem ersten stabilen gesperrten Zustand, da die Z^itkondensatorspannung an der Anode nach Anschalten der Versorgungsspannung durch die Zeitkonstante einer Reihenschaltung eines ÄC-Gliedes Ri, Ci erst nach der hierdurch bestimmten Zeit den Spannungswert der Vergleicherspannung an dem Anodengate (Programmiereingang) erreicht. Über den Ladewiderstand R 1, der als hochohmiger Festwiderstand ausgebildet ist, wird der Zeitkondensator aus der Versorgungsspannung an Klemme KIi mit einem zeitabhängigen Spann'ingsanstieg bis zu einem Wert aufgeladen, der bei diesem Ausführungsbeispiel um die Zündspannung der Vierschichtdiode de- Vergleicherspannung erhöht ist. Sowie dieser Spannungswert an der Anode überschritten wird, kippt die Vierschichtdiode Ti durch den jetzt aus dem Widerstand R i in die Anode fließenden Zündstrom, von i'.,rem ersten stabilen gesperrten Zustand in den zweiten stabilen leitenden Zustand und der Zeitablauf ist beendet. Durch diesen jetzt leitenden Zustand der Vierschichtdiode Ti wird der Zeitkondensator Ci über die Anode und Kathode, den Entladewiderstand R 4 einen Spannungswert oder einen Impuls, welcher an den Klemmen Xl3 und Kl2 abgegriffen, einen Relaisschaltkreis nach z. B. F i g. 5 steuern kann. Durch Dimensionierung der Widerstände Ri, R2, R3 und R 4 kann der leitende Zustand durch den fließenden

Talstrom der Vierschichtdiode so lange erhalten bleiben, bis die Versorgungsspannung von den Klemmen Kl 1 und Kl2 abgeschaltet wird.

Fig. 2 zeigt ein durch einen Kondensator Cl ergänztes Ausfuhrungsbeispiel, bei dem durch die Dimensionierung der Widerstände R 1, R 2, R 3 und R 4 der Talstrom unterschritten werden kann. Hierdurch kippt die Vierschichtdiode Π wieder in den ersten stabilen gesperrten Zustand zurück und der Zeitablauf beginnt aufs neue. Bei angelegter Versorgungsspannung beginnt der Funklicnsablauf wieder wie vorher beim Ausführungsbeispiel zu Fig. I beschrieben ist. Dieser sich hier zyklisch wiederholende Vorgang bleibt erhalten, solange die Versorgungsspannung an den Klemmen KIi und Kl 2 angelegt ist. Der Kondensator C2, der einen wesentlichen kleineren Kapazitätswert besitzt als der Zeitkondensator Cl, ist erforderlich, um den zyklischen Funktionsablauf aufrecht zu erhalten, wenn durch die Drehwinkelstellung des Potentiometers R 3 das Bezugspotential der Vergleichsspannung entspricht. Der sich zyklisch wiederholende Entladevorgang der Kondensatoren Cl und C2 über den Entladewiderstand RA als Spannungsimpulsfolge kann über die Klemmen KI3 und KI2 durch eine Impulszählstufe ausgewertet werden.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird das zeitbestimmende veränderbare Bezugspotential für den Zeitkondensator aus der Verbindung der Reihenschaltung des veränderbaren Widerstands R 3 und der Konstantstromquelle, welche aus der Spannungsteilerschaltung der Widerstände R 6 und Λ 7 in Verbindung des npn-Transistors Γ2 mit dem Emitterwiderstand R 5 besteht, gewonnen. Durch diese vorteilhafte Kombination ist das Zeiteinstellpotentiometer Af 3 für Zweidrahtanschluß ausgebildet und ermöglicht so diesen als Fernzeiteinsteüpotentiometer R 3*, mit zwei Anschlußdrähten angeschaltet, zu benutzen. Die Zeiteinstellpotentiometer /?3 und R 3* sind auch niederohmig. wie in F i g. 1 und F i g. 2. Dieses Ausführungsbeispiel F i g. 3 läßt sich natürlich auch so erweitern, daß derselbe Funktionsablauf wie vorher bei der Beschreibung der F i g. 2 möglich ist. Der hochohmige R 8 in F i g. 3 dient als Generatorwiderstand für die Vierschichtdiode, durch den der erforderliche Zündstrom zum Schalten fließen kann. Die Diode Cr 1 schließt die Konstantstromquelle in umgekehrter Richtung kurz, damit sich der Zeitkondensator Cl nach Zeitablauf, wie vorher schon beschrieben, entladen kann.

F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des steuerspannungsabhängige;. Transistorschalters. Durch Anlegen einer Steuerspannung (Versorgungsspannung) mit dem positiven Potential an Klemme Kl 4 und negativen Potential an Klemme K15 und Überschreiten bzw. Unterschreiten des vorgegebenen Nennwerts nach VDE 0435 (dimensioniert auf 15% der Nennspannung), der gegeben ist durch die Durchbruchspannung der Zenerdiode Zi, schaltet der npn-Transistor Γ3, der in Emitterschaltung betrieben wird, von seinem gesperrten in den leitenden Zustand bzw. von seinem leitenden in den gesperrten Zustand mit dem positiven Potential an Klemme KIB. Der Widerstand R10 begrenzt den Basisstrom des Transistors T3 und vorteilhaft zugleich den Zenerdiodenstrom der Z1.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Zeitrelais mit anzugsverzögerter Funktion unter Verwendung eines Netzteils, bestehend aus dem Vorwiderstand R 11 und dem Ladekondensator C3, des steuerspannungsabhängigen Transistorschalters nach Fig.4, eines Relaisschaltkreises, bestehend aus der Relaisspule Re und dem

ίο Thyristor TA, einer Spannungsstabilisierungsschaltung für die Zeitkreisschaltung, bestehend aus dem Vorwiderstand R 9 und der Zenerdiode Z 2 sowie der Zeitkreisschaltung nach F i g. 3. Durch diese vorteilhafte Schaltungsanordnung steuert der Transistorschalter nach Fig.4 nicht nur den Zeitkreis, sondern auch den Relaisschaltkreis. Durch Anschalten der Steiierspannung (Versorgungsspannung) mit dem positiven Potrntial an Klemme KIS und dem negativen Potential an Klemme K/9 wird diese über das Netzteil dem steuerspannungsabhängigen Transistorschalter an die Klemmen K/4 und KI5 zugeführt. Ist der vorgegebene Nennwert der Steuerspannung überschritten, so wird das positive Potential automatisch durch den Transistor Γ3 nach Klemme KId durchgeschaltet. Diese Sieuerspannung aus den Klemmen KIf) und KI9 wird so über die Reihenschaltung der Relaisspule Re und dem Vorwiüorstand R 9 und durch die dazu parallel angeordnete Zenerdiode Z2 stabilisiert an die Klemmen KIX und Kl 2 der Zeitkreisschaltung geschaltet.

Durch diesen Sprjnganstieg der Steuerspannung an dem Zeitkreis wird der Zeitablauf gestartet. Der Relaiskontakt ist noch in Ruhestellung 15—16, da der durch die Relaisspule zur Stabilisierung und Zeitkreis fließende Strom relativ sehr klein gegenüber dem Erregerstrom für das Schaltrelais dimensioniert ist. Nach Ablauf der Zeitfunktion, die zu Fig. 3 vorher beschrieben ist, wird aus der Klemme KI3 ein Zündimpuls dem Thyristorgate TA zugeführt, der somit von seinem ersten stabilen gesperrten Zustand in den zweiten stabilen leitenden Zustand schaltet. Dadurch wird die Relaisspule Re über die Anoden-Kathodenstrecke des Thyristors TA an die Klemmen KI6 und KI9 der Steuerspannung geschaltet. Somit kommt der erforderliche Erregerstrom für die Relaisspule, begrenzt durch den Widerstand Λ 11, im Netzteil zum Fließen und der Relaiskontakt geht in Arbeitsstellung 15—18. Der Zeitkreis wird außerdem in dieser Schaltungsanordnung in vorteilhafter Weise gleichzeitig mit dem Thyristor nach Zeitablauf durch Kurzschließen seiner

so Steuerspannung in die Ausgangsposition gebracht. tVird der vorgegebene Nennwert der Steuerspannung über Klemme Kl 8 und K19 nach VDE 0435 unterschritten, so wird die übrigbleibende Steuerspannung über Klemme K16 und K19 durch den Transistorschalter nach F i g. 4 abgeschaltet und damit der Stromfluß über die Relaisspule Re und der zweite stabile leitende Zustand des Thyristors Γ4 mit Sicherheit unterbrochen. Der Relaiskontakt ist zurück zur Ruhestellung 15—16 geschaltet und das Zeitrelais ist so wieder für einen neuen Start bereit

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;

1. Zeitverzögerungsschaltung für Zeitrelais, bei der ein Zeiteinstellpotentiometer vorgesehen ist und bei der der Ladevorgang einer ÄC-Schaltung mittels eines Spannungsvergleichers oder dergleichen überwacht wird, der die am Kondensator des ÄC-Güedes ansteigende Spannung mit einer vorgegebenen Spannung vergleicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeiteinstellpotentiometer (R 3) einem niederohmigen Spannungsteiler (R2, A3) zugeordnet ist und ein aus der Vergleicherspannung gewonnenes einstellbares Bezugspotential an den Zeitkondensator (Ct) des als Reihenschaltung ausgebildeten ÄC-Gliedes (R 1, Cl) anlegt und daß ein steuerspannungsabhängiger Transistorschalter (T3) die Zeitfunktion des Zeitkreises steuert, wobei der Transistorschalter die Versorgungsspannung für den Zeitkreis bei Überschreiten seiner Schwellspannung in positiver oder negativer Richtung jeweils an- oder abschaltet

2. Zeitverzögerungsschaltung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeiteinstellpotentiometer zur Unterdrückung von Störgrößen auf einer Fernleitung niederohmig ausgelegt ist

3. Zeitverzogerungsschaltuiuj nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich für den Zeitstart durch Anlegen der Steuerspannung über einen Schalter auch ein induktiver Annäherungsschalter verwenden läßt