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Elektronischer Impulstaktgeber mit einstellbarer
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Zeitverzögerungsschaltung für Zeitrelais,insbesondere für eine Zeitverzögerungsschaltung
mit Ferneinstellung
Elektronischer Impulstaktgeber mit einstellbarer
Zeitverzögerungsschaltung für Zeitrelais, insbesondere für eine Zeitverzögerungsschaltung
mit Ferneinstellung Die Erfindung betrifft einen elektronischen Impulstaktgeber
mit einstellbarer Zeitverzögerungsschaltung für Zeitrelais nach der Gattung des
Hauptanspruchs Ein Taktgeber für Zeitrelais ist aus der DE-PS 2 717 787 bekannt,
bei der eine als Vierschichtdiode bzw. programmierbarer Unijunktion-Transistor ausbildete
Vergleichsschaltung eine an dem Zeitkondensator eines RCsGliedes liegende Spannung
mit einer zeitbestimmenden Vergleichsspannung vergleicht. Dabei ist das Zeiteinstellpotentiometer
Bestandteil eines niederohmigen Spannungsteilers, das ein aus der Vergleichsspannung
gewonnenes einstellbares Bezugspotential an den Zeitkondensator anlegt Überschreitet
die zeitlich ansteigende Spannung am Zeitkondensator die Vergleichsspannung,
erhöht
um die Zündspannung, so zündet die Vierschichtdiode und geht vom gesperrten in den
leitenden Zustand über. Dadurch wird der Zeitkondensator entladen, und an der Kathode
der Vierschichtdiode wird ein Spannungsimpuls erzeugt.
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Durch entsprechende Dimensionierung der Schaltung kippt danach die
Vierschichtdiode wieder in den ersten gesperrten Zustand zurück und der Zeitablauf
beginnt aufs neue. Die durch den sich zyklisch wiederholenden Vorgang gebildeten
Impulse können von einer Impulszählstufe ausgewertet werden, die ein Leistungsschaltglied
steuert. Der Nachteil dieser Schaltung besteht darin, daß die von der Vierschichtdiode
abgegebenen Impulse keine Rechteckimpulse sind und die abfallende Flanke, die der
Entladekurve des Zeitkondensators entspricht, nicht sehr steil ist. Die Vierschichtdiode
geht von ihren leitenden in den gesperrten Zustand über, wenn ihr Talstrom unterschritten
wird. Dieser Talstrom ist temperaturabhängig, so daß unterschiedliche Umgebungstemperaturen
zu Restspannungsschwankungen über dem Zeitkondensator führen und Zeitungenauigkeiten
entstehen.
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Der in dem genannten Stand der Technik beschriebene Taktgeber kann
das Einstellpotentiometer in Zweidrahtausführung als Ferneinstellpotentiometer verwendet
werden, wobei der niederohmige Spannungsteiler in Reihe mit einer Konstantstromquelle
liegt.
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Durch die Verwendung des Zeiteinstellpotentiometers mit Ferneinstellung
ergeben sich weitere erhebliche Nachteile. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung
ist das Anodengate der Vierschichtdiode mit dem Verbindungspunkt des die Vergleichsspannung
liefernden niederohmigen Spannungsteilers verbunden.
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Dadurch schwingt die Spannung an dem Zeiteinstell-
potentiometer
im gleichen Takt zu den sich wiederholenden zeitbestimmenden Impulsen. Wenn das
Zeiteinstellpotentiometer über lange Anschlußleitungen an einem entfernt liegenden
Ort herausgezogen ist, steht dieser Takt auch auf den Leitungen.
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Werden von mehreren Geräten diese Anschlußleitungen zu einem Kabeistrang
zusammengeführt, so können sich die auf jeder Leitung vorhandenen Takte unterschiedlicher
Periodendauern abhängig von den Kapazitäten zwischen den Leitungen beeinflussen,
so daß Störimpulse auftreten, die die jeweiligen Ablaufzeiten stark beeinflussen.
Bei dem bekannten Zeitrelais mit Taktgeber und Zählstufe besitzen die Zeitkondensatoren
kleinere Kapazitäten, so daß die Ferneinstellung vorhandenen Leitungskapazitäten
gegenüber anderen parallelliegenden,eine Versorgungswechselspannung übertragenden
Leitungen so stark eingehen, daß Wechseispannungen in einem relativ hohen Maße störend
übertragen werden, wodurch undefinierte Ablaufzeiten entstehen.
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Bei dieser Schaltung ist es auch nicht möglich, die Fernleitung, auf
der die Spannung mit dem Takt schwingt, mit zusätzlichen Entstörkapazitäten zu versehen,
ohne die zum Beispiel im Verhältnis von 1 o 20 einstellbare Taktzeit zu beeinflussen,
da auch das zeitbestimmende mit dem Zeiteinstellpotentiometer verstellbare Bezugspotential
im gleichen Takt schwingt.
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Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde
liegt, eine kostengünstige Schaltungsanordnung für einen Taktgeber mit Zeitverzögerungsschaltung
für Zeitrelais zu schaffen, die eine einwandfreie und störunempfindliche Zeiteinstellung
insbesondere auch kombiniert mit einem niederohmigen Ferneinstellpotentiometer in
Zweidrahttechnik
gewährleistet und bei der keine periodischen Spannungsänderungen an dem Zeiteinstellpotentiometer
vorhanden sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Durch
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung des Taktgebers wird eine genaue und störuempfindliche
Zeiteinstellung gewährleistet, wobei auch die in Industrieanlagen verlangte Fernzeiteinstellung
ohne Schwierigkeiten und entsprechend der Genauigkeit der Zeiteinstellung am Taktgeber
selbst erreicht werden kann. Der Taktgeber weist einen kostengünstigen Aufbau auf
und ist temperaturunempfindlich.
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Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die schaltungsgemäße Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Taktgebers; und Fig. 2 ein Impulsdiagramm für einzelne in
dem Taktgeber vorkommende Spannungen.
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In Fig. 1 liegt zwischen den Eingangsklemmen K1 1 und K1 2 die Betriebsspannung,
wobei parallel zu den Klemmen ein niederohmiger Spannungsteiler,
bestehend
aus einem Widerstand R4 und einem Zeiteinstellpotentiometer R3, und eine Konstantstromquelle
10 in Reihe geschaltet ist. Gestrichelt dargestellt sind die Leitungen zu einem
entfernt liegenden Ferneinstellpotentiometer R3X, das anstelle des am Gerät vorhandenen
Zeiteinstellpotentiometers R3 vorgesehen sein kann. Der Verbindungspunkt zwischen
den Widerständen R4, R3 bzw. R3X des niederohmigen Spannungsteilers (der Widerstandswert
liegt zum Beispiel im Bereich von 10 kfL) ist an den positiven Eingang einer als
Komparator 11, der mit einem Operationsverstärker realisiert ist, ausgebildeten
Vergleichsschaltung angeschlossen Dadurch wird eine feste Schwellenspannung U5 für
den Komparator 11 als Vergleichsspannung vorgegeben. Parallel zu dem niederohmigen
Spannungsteiler R4, R3 ist die Reihenschaltung eines RC-Gliedes R1, Cl vorgesehen,
wobei der Ladewiderstand Rl als relativ hochohmiger Festwiderstand (in der Größenordnung
von 600 kn) ausgebildet ist, über den der Zeitkondensator C1 aus der Betriebsspannung
an Klemme 1 mit einem zeitabhängigen Spannungsanstieg aufgeladen wird.
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Der Verbindungspunkt A zwischen dem Ladewiderstand R1 und dem Zeitkondensator
C1 liegt an dem invertierenden Eingang des Komparators 11.
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Der Ausgang des Komparators ist über einen Widerstand R2, der Bestandteil
eines zweiten Zeitgliedes R26 C2 ist und über einen Strombegrenzungswiderstand R5
mit dem Eingang eines ersten Inverters 12 verbunden und andererseits über den Widerstand
R2 und einen zweiten Zeitkondensator C2 an den Ausgang eines zweiten Inverters 13
angeschlossen, Der Ausgang des ersten Inverters 12 ist mit dem Eingang des zweiten
Inverters 13 verbunden.
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Dieser Verbindungspunkt geht über zwei weitere Inverter 14, 15 an
einen Widerstand R6 an die Basis eine NPN-Transistors T1, der als Gatter mit offenem
Kollektor geschaltet ist und dessen Emitter mit Masse verbunden ist. Der Kollektor
des Transistors T1 ist über die Widerstände R7, R8 mit dem Verbindungspunkt A verbunden.
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Parallel zu dem Zeitkondensator C1 liegt die Emitterkollektorstrecke
eines PNP-Transistors T2 mit einem in Reihe geschalteten Entladewiderstand R9. Die
Basis des Transitors T2 ist an dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R7
und R8 geschaltet.
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Der mit D bezeichnete Verbindungspunkt zwischen dem ersten und zweiten
Inverter 12, 13 bildet über einen dritten Inverter 16 den Ausgang des Taktgebers,
der über eine nicht dargestellte Zählschaltung mit dem nicht dargestellten zu schaltenden
Leistungsschaltglied verbunden ist und dieses steuert.
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Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung
soll mit Hilfe der in Fig. 2 in Abhängigkeit von der Zeit gezeigten Spannungsverläufe
erläutert werden. Dabei zeigt a den Spannungsverlauf am Punkt A, der den negativen
Eingang des Komparators 11 bildet, b die Spannung am Punkt B, dem Ausgang des Komparators
11, c die Spannung am Verbindungspunkt C zwischen dem Widerstand R2 und dem Zeitkondensator
C2 und d die Spannung am Verbindungspunkt D, die bis auf die Invers ion dem Ausgangssignal
des Taktgebers entspricht. Zum Zeitpunkt t = 0 - Betriebsspannung ein - lädt sich
der Zeitkondensator C1, ausgehend von dem einstellbaren Bezugspotential UB auf,
und
zwar mit der Zeitkonstanten R10 Cl. Der Ausgang B des Komparators 11 weist einen
H Zustand auf, da die Spannung am Kondensator Cl noch die durch den niederohmigen
Spannungsteiler R4, R3 und die Konstantstromquelle 10 fest vorgegebene Schwellenspannung
U5 unterschreitet Der Punkt C und der Ausgang des Inverters 13 legen auf H, das
heißt, der Kondensator C2 ist entladen, da seine beiden Anschlüsse auf H liegen
Der Punkt D liegt aufgrund des Inverters 12 auf L.
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Der Kondensator Cl lädt sich weiter aug und zum Zeitpunkt tl überschreitet
die Kondensatorspannung die Schwellenspannung U5, so daß der Komparator 11 schaltet
An dieser Stelle wird keine steile Schaltflanke verlangt, so daß ein kostengünstiger
Operationsverstärker mit hoher Verstärkung für den Komparator 11 verwendet werden
kann Der Zeitbereich zwischen tal, t2 und t3 ist gedehnt dargestellt, um die Wirkungsweise
der Schaltung besser zeigen zu können Aufgrund des Wechsels des Spannungszustandes
am Ausgang des Komparators 11 lädt sich der Kondensator C2 über den Widerstand R2
und den zweiten inverter 13 auf, da der Ausgang B des Komparators 1t auf L und der
Ausgang des Inverters 13 auf H liegt Zwischenzeitlich lädt sich der Zeitkondensator
Cl weiter auf, das heißt, die Spannung am Eingang A des sSomparators 11 steigt weiter
an, so daß die vorgegebene Schwellenspannung weiter überschritten eflEdO um ein
sicheres Schalten des Komparators 11 zu gewährleisten.
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Wenn die Spannung am Punkt Punkt C unter einen Schwellenwert absinkt,
der ungefähr der halben Betriebsspannung des Inverters 12 entspricht, schaltet dieser
von
L auf H, wodurch der Ausgang des zweiten Inverters 13 auf L
geht. Dadurch wird der Kondensator C2 schlagartig umgepolt, wie aus dem Impulsdiagramm
c zu erkennen ist, wobei seine Spannung die Nulllinie unterschreitet. Damit der
Inverter 12 nicht durch dieses Unterschreiten in Mitleidenschaft gezogen wird, ist
der Strombegrenzungswiderstand R5 vorgesehen. Da die Spannung am Punkt C die Schaltspannung
des Inverters 12 weit überfährt, ist auch hier ein sicheres Schalten des Inverters
ohne Schwingungserscheinungen gewährleistet.
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Durch den Spannungswechsel am Punkt D schaltet über die zwei Inverter
14, 15 der Transistor T1 durch, wodurch auch der Transistor T2 leitend wird und
der Kondensator C1 kann sich mit einer sehr kleinen Zeitkonstante über den Transistor
T2 und den niederohmigen, im Bereich von loORliegenden Widerstand R9 entladen. Dadurch
sinkt die Spannung am Eingang A des Komparators 11 unter die Schwellenspannung Us
und sein Ausgang B schaltet von L auf H.
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In dem Zeitraum zwischen t2 und t3 entlädt sich der Zeitkondensator
C1 weiter bis auf etwas unter Null Volt. Durch das Schalten am Ausgang B des Komparators
11 kann sich der Zeitkondensator C2 über den weiterhin am Ausgang auf L stehenden
Inverter 13 und den Widerstand R2, wie im Kurvenverlauf c gezeigt, wieder umladen.
Wenn die Spannung am Punkt C die Schaltspannung U/2 des Inverters 12 überschreitet,
schaltet dieser zum Zeitpunkt t3 von H auf L, wodurch der zweite Inverter 13. seinen
Ausgang umpolt und der Kondensator C2 auf Null Volt entladen wird, da seine beiden
Anschlüsse H sind. Durch Änderung der Spannung am Punkt D sperrt der Transistor
T1, wodurch auch der zweite Transistor T2 sperrtund
der Zeitkondensator
Cl sich wieder mit der Zeitkonstanten Rl, Cl aufladen kann, wobei diese derart gewählt
ist, daß die Aufladezeit des Sondensators C1 groß ist Demgegenüber weist das Zeitglied
C2, R2, das die Entladezeit des Kondensators Cl steuert0 eine kleine Zeitkonstante
auf, beide Zeitkonstanten weisen je nach Zeiteinstellung zum Beispiel ein Verhältnis
von 1/2 bis 1/200 auf Aus der Schaltungsanordnung nach Fig 1 ist zu ersehen, daß
der Ausgang des Inverters 12 am Punkt D zugleich zwei Zeitglieder steuert, und zwar
einmal den Zeitkondensator C2 des zweiten Zeitgliedes mit der kleinen Zeitkonstante
R2, C2 über den Inverter 13 und außerdem den ersten Zeitkondensator Cl des einstellbaren
Zeitkreises über die Inverter 14, 15 und die Transistorschaltung mit den Transistoren
T1 und T2. Zum Zeitpunkt t2 im Impulsdiagramm nach Fig 2 b, c, d schaltet die Spannung
am Punkt C in die negative Richtung und die am Punkt B in die positive Richtung
Die Spannung am Punkt C bewirkt, daß über den Inverter 12 der Punkt D in die positive
Richtung schaltet . Dieser zum Zeitpunkt t2 ablaufende Vorgang läuft nur dann einwandfrei
ab, wenn der Ausgang des Inverters 13 die Spannung am Punkt C etwas früher schaltet,
als der Ausgang des Komparators 11 am Punkt B Um diesen Ablauf auch bus jeder vorkommenden
Umgebungstemperatur und bei Exemplarstreuungen der Bauteile sicher zu erreichen,
sind die beiden Inverter 14, 15 mit ihren Eingangsschalt spannungen von ungefähr
U/2 vor die Basis des Transistors Tl geschaltet. Die Schaltspannungen müssen beim
Schalten zweimal erreicht werden, so daß aufgrund der Schaitzeiten eine taufzeitverlängerung
in dem Kreis erzeugt wird
Da sich der Kondensator C1 beim Austakten
auch über die Emitter-Basisstrecke des Transistors T2, den Widerstand R7 und die
Kollektoremitterstrecke des Transistors T1 entlädt und dadurch geringfügig umgepolt
wird, wird der Widerstand R7 in der Weise ausgewählt, daß die durch C1 und R7 gebildete
Zeitkonstante so groß ist, daß auch bei der Nullstellung des Zeiteinstellpotentiometers
R3 noch höchstens ein Zwanzigstel des Einstellbereiches vorgegeben ist. Da in diesem
Fall die Bezugsspannung der Schwellenspannung entspricht, ergibt sich für die kürzeste
Zeiteinstellung nur noch die kleine Umladung des Zeitkondensators Cl.
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Da die Spannungsänderungen am Ausgang des Komparators 11 sich nicht
auf den Schaltungspunkt zwischen dem Widerstand R4 und dem Zeiteinstellpotentiometer
R3 bemerkbar machen, ist diese Schaltung sehr gut für eine Fernzeiteinstellung geeignet.
Das Zeiteinstellpotentiometer R3 ist dabei nicht direkt an der Schaltung vorgesehen,
sondern es wird über Anschlußleitungen an einen entfernt liegenden Ort herausgezogen,
wobei die gestrichelt angedeutete Brücke entfernt und das Zeiteinstellpotentiometer
R3 in die Nullstellung gebracht wird.
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Der Kondensator C3 symbolisiert eine der Entstörmöglichkeiten gegen
das Minuspotential. Auf diese Weise können viele Punkte an dem niederohmigen Spannungsteiler
je nach Art der äußeren Störgrößen mit gegen die Leitungskapazitäten großen Kapazitäten
entstört werden, ohne die Ablaufzeit des Zeitrelais zu beeinflussen, da, erzeugt
durch die Konstantstromquelle 10, immer der gleiche konstante nichtpulsierende Strom
über das Zeiteinstellpotentiometer R3 bzw. R3X schließt. Am Zeiteinstellpotentiometer
steht
somit je nach eingestelltem Widerstandswert eine glatte Gleichspannung zwischen
0 Volt bis U U o 5 Aufgrund des als Operationsverstärker ausgebildeten Komparators
11 kann der erste das erste Zeitglied R1, Cl und den niederohmigen Spannungsteiler
aufweisenden Zeitkreis mit einer höheren Betriebsgleichspannung, zum Beispiel 25
Volt, als die im zweiten Zeitkreis vorhandenen Inverter 12 Volt betrieben werden
Dadurch ist auch die Spannung am Fernzeiteinstellpotentiometer höher, so daß ein
größerer Störabstand zu den von außen eingestreuten Fremdspannungen besteht Die
oben beschriebene Ausführung der zwei voneinander abhängig oszillierenden Zeitkreise,
die einmal den Komparator 11 und das andere Mal die Inverter 12 und 13 aufweisen,
ist nur beispielhaft gewählt. Es können anstelle dieses Ausführungsbeispiels andere
Vergleichsschaltungen mit internen oder externen Schalteinrichtungen verwendet werden