DE4002328A1 - Elektronische zeitschaltung mit einem schwellwertschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Zeitschaltung mit einem Schwellwertschalter.

In der Kraftwerksschutztechnik werden Zeitschaltungen sehr häufig benötigt. Eine diesbezügliche Schaltung ist aus der AT-PS 3 59 152 bekannt. Diese besteht aus einem Transistor über den im leitenden Zustand ein Kondensator aufgeladen wird. Bei Erreichen einer bestimmten Spannung am Kondensator ändert der nachfolgende Schwellwertschal­ ter seinen Zustand. Die Aufladezeit des Kondensators wird durch einen mit dem Transistor verbundenen Widerstand, der auch variabel sein kann, bestimmt. Diese Schaltung ist zwar recht einfach in ihrem Aufbau, jedoch kann die einstellbare Zeit nur in einem kleinen Bereich verändert werden. Wird ein anderer oder größerer Zeitbereich benötigt, so ist dies nur durch Dimensionierungsmaßnahmen möglich. Bei einem großen Zeitbereich ist somit bei der Anordnung in der AT-PS die notwendige Skalenauflösung und daher auch die Einstellgenauigkeit nicht mehr gewährlei­ stet. Außerdem sind Zeiten über 30 Sekunden mit entspre­ chender Genauigkeit nicht zu realisieren. Jeder ge­ wünschte Zeitbereich muß daher individuell abgeglichen werden und verursacht somit auch hohe Prüfkosten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine ver­ besserte Zeitschaltung zu schaffen, mit der die Zeit mindestens in einem Verhältnis von 1:1000 mit entspre­ chender Genauigkeit einstellbar ist.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß ein als lntegrator beschalteter Operationsverstärker vorgesehen ist, dessen Integrationszeit kontinuierlich und in Stufen einstellbar ist und daß dem Integrator der Schwellwertschalter, insbesondere ein als Komparator arbeitender Operations­ verstärker, nachgeschaltet ist, dessen Ausgang der Ausgang der Zeitschaltung ist und daß in der Gegenkopplung, parallel zu dem Kondensator, des als Integrator beschalteten Operationsverstärkers ein Tran­ sistor angeordnet ist, über dessen Steuereingang die Zeitschaltung aktivierbar ist. Durch den Transistor in der Gegenkopplung des einen Operationsverstärkers, der als Schalttransistor arbeitet, wird der Beginn der Aufladung des lntegrationskondensators festgelegt. Die Zeit bis zum Erreichen der Schaltschwelle für den Schwellwertschalter am Ausgang des Integrators wird durch die Kapazität des Kondensators bestimmt.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Ausgang des als Integrator beschalteten Operationsverstärkers über einen Widerstand mit dem nichtinvertierenden Eingang des als Komparator arbeitenden Operationsverstärkers verbunden und der invertierende Eingang dieses Operati­ onsverstärkers ist über einen weiteren Widerstand an den Schleifer eines Potentiometers gelegt, welches beidseitig über je einen Vorwiderstand an eine negative Spannung angeschlossen ist und zum Potentiometer und dem mit Nullpotential verbundenem Vorwiderstand ist eine Zener­ diode parallel geschaltet. Durch die zusätzliche Beschaltung am invertierenden Eingang des Komparators kann in einfachster Weise die Schaltschwelle und somit auch die Zeit für die gesamte Schaltung verändert werden.

Von Vorteil ist, daß der nichtinvertierende Eingang des als Integrator beschalteten Operationsverstärkers mit Nullpotential verbunden ist und der invertierende Eingang über einen Vorwiderstand an ein Widerstandsnetzwerk angeschlossen ist und daß zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers ein Kondensator vorgesehen ist und daß parallel zum Vorwi­ derstand und dem Operationsverstärker einerseits ein weiterer Widerstand dem zwei über ein Potentiometer, von dem ein Anschluß mit Nullpotential verbunden ist, paral­ lel geschaltete Kondensatoren folgen, wobei über einen Schalter der Widerstand entweder an dem einen oder dem anderen Kondensator anschließbar ist und andererseits der Transistor, insbesondere die Drain-Source-Strecke eines MOS-Feldeffekttransistors, angeordnet ist und daß der den Eingang der Zeitschaltung darstellende Steuereingang des Transistors, insbesondere der Gate-Anschluß des MOS- Feldeffekttransistors, über einen Widerstand an einer positiven Spannung angeschlossen ist. Dies ist eine mögliche Variante des Aufbaus des Integrators, wobei zwischen zwei verschiedenen Anstiegsgeschwindigkeiten am Ausgang gewählt werden kann. Durch die Verwendung eines MOS-Feldeffekttransistors ist auch ein leistungsloses aktivieren der Schaltung möglich.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht dar­ in, daß das Widerstandsnetzwerk an eine, mit einer Zener­ diode, die einen Vorwiderstand aufweist, stabilisierte positive Spannung angeschlossen ist und aus einem, zur Zenerdiode parallel angeordnetem, Potentiometer besteht, an dessen Schleifer ein Spannungsteiler angeschlossen ist, der mit zwei in Serie geschalteten und an Nullpo­ tential gelegten Widerständen aufgebaut ist und daß ein mindestens dreistufiger Schiebeschalter vorgesehen ist, an dem die beiden Spannungen des Spannungsteilers gelegt sind, sowie zwei Widerstände angeschlossen sind, die mit dem Widerstand an invertierenden Eingang des als Inte­ grator beschalteten Operationsverstärkers verbunden sind und daß mit dem Schiebeschalter jeweils eine Spannung des Spannungsteilers an jeweils einen Widerstand anlegbar ist. Durch diesen Aufbau des Widerstandsnetzwerkes können verschiedene Spannungen an den Eingang des Integrators gelegt werden, wodurch immer einer der beiden Integrati­ onskondensatoren unterschiedlich schnell aufgeladen wird. Dadurch ist ebenfalls die Verzögerungszeit der gesamten Schaltung veränderbar.

Vorteilhaft ist ferner, daß der invertierende Eingang des als Komparator arbeitenden Operationsverstärkers mit einem Transistor verbunden ist, insbesondere mit dem Drain-Anschluß eines MOS-Feldeffekttransistors, dessen Source-Anschluß an die negative Spannung gelegt ist und der am Gate-Anschluß eine Widerstand-Kondensator-Serien­ schaltung gegen die positive Spannung, sowie einen mit der negativen Spannung verbundenen Widerstand, dem parallel in Sperrichtung eine Zenerdiode geschaltet ist, aufweist. Dieser zusätzliche Schaltungsteil verhindert falsche Signale am Ausgang des Integrators während des Anlegens der Versorgungsspannung.

An Hand des in der Zeichnung dargestellten Schaltbildes wird die Erfindung nun noch näher erläutert.

Ein als Integrator beschalteter Operationsver­ stärker N 1.3 weist in der Gegenkopplung, das ist vom invertierenden Eingang zum Ausgang, einen Kondensator C 5 auf. Dieser ist eine Schutzkapazität gegen Hf- Schwingungen. Der nichtinvertierende Eingang dieses Operationsverstärkers N 1.3 ist an Nullpotential P₀ gelegt und am invertierenden Eingang ist ein Wider­ stand R 4 angeschlossen. Parallel zum Widerstand R 4 und dem Operationsverstärker N 1.3 ist die Drain-Source- Strecke eines MOS-Feldeffekttransistors V 46 angeschlos­ sen. Der Gate-Anschluß dieses Transistors V 46 stellt den Eingang E der elektronischen Zeitschaltung dar. Dieser Anschluß ist weiter auch über einen Widerstand R 62 an eine positive Gleichspannung gelegt. Dem Widerstand R 4 und dem Operationsverstärker N 1.3 ist ein Widerstand R 22, ein nachfolgender dreistufiger Schiebeschalter X 7 und zwei mit diesem verbundene Kondensatoren C 1, C 2 parallel geschaltet. Über den Schiebeschalter X 7 kann der zur Strombegrenzung vorgesehene Widerstand R 22 entweder mit dem einen oder dem anderen Kondensator C 1, C 2 oder mit keinem verbunden werden. Die Kondensatoren C 1, C 2 haben unterschiedliche Kapazitätswerte und sind die Integrationskondensatoren. Um ein ganzzähliges Kapazi­ tätsverhältnis zwischen diesen beiden Kondensatoren C 1, C 2 zu erreichen bzw. um Bauteiltoleranzen auszugleichen ist der Kondensator C 2 mit dem Schleifer eines Potentio­ meters R 6 verbunden, welches einerseits an Nullpotential P₀ und andererseits an den Ausgang des Operationsver­ stärkers N 1.3 angeschlossen ist. Dieser Operationsver­ stärker N 1.3 ist über einen Widerstand R 3 an den nicht­ invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstär­ kers N 1.4 gelegt. Dieser arbeitet als Komparator und sein Ausgang A ist auch gleichzeitig der Ausgang der elektronischen Zeitschaltung. Der invertierende Eingang dieses Operationsverstärkers N 1.4 ist unter Zwischen­ schaltung eines Widerstandes R 2 mit dem Schleifer eines Potentiometers R 7 verbunden. Dieses Potentiometer R 7 ist einerseits über einen Widerstand R 5 an Nullpotential P₀ und andererseits über einen Widerstand R 9 an eine nega­ tive Gleichspannung angeschlossen. Parallel zum Poten­ tiometer R 7 und dem Widerstand R 5 ist eine Zener­ diode V 8 in Sperrichtung vorgesehen.

Der Widerstand R 4 am invertierenden Eingang des einen Operationsverstärkers N 1.3 ist noch mit einem Wider­ standsnetzwerk R 8, R 10, R 11, R 12, R 14, X 8 verbunden. Dieses besteht aus einem an eine stabilisierte positive Gleichspannung angeschlossenem Potentiometer R 10. Die stabilisierte Spannung wird durch einen Widerstand R 17 und eine Zenerdiode V 9 in Serie, die an einer positiven Gleichspannung angeschlossen sind, erzeugt. Die Zenerdi­ ode V 9 wird in Sperrichtung betrieben und ist mit einem Pol mit Nullpotential P₀ verbunden. Das Potentiometer R 10 ist parallel zur Zenerdiode V 9 angeordnet. Der Schleifer dieses Potentiometers R 10 ist an einen Spannungsteiler R 11, R 14, der aus zwei in Serie geschalteten Widerständen R 11, R 14 besteht, angeschlossen. Die Spannung am Schlei­ fer des Potentiometers R 10, sowie jene zwischen den beiden Widerständen R 11, R 14 des Spannungsteilers ist an einen dreistufigen Schiebeschalter X 8 gelegt. Weiter sind am Schiebeschalter X 8 noch die beiden Widerstände R 8, R 12 angeschlossen, von denen jeder mit dem Widerstand R 4 verbunden ist.

Am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers N 1.4 ist noch eine Zusatzschaltung angeschlossen, welche zur Vermeidung von Fehlsignalen am Ausgang A des Komparators beim Anlegen der Versorgungsspannung für die Operations­ verstärker N 1.3, N 1.4 und die anderen Teile der Schal­ tung dient. Diese besteht aus einem MOS-Feld­ effekttransistor V 19, dessen Drain-Anschluß mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers N 1.4 verbunden ist. Der Source-Anschluß ist an eine negative Gleichspannung gelegt. Am Gate-Anschluß dieses Transi­ stors V 19 ist einerseits eine Zenerdiode V 14 und ande­ rerseits ein Widerstand R 45 gegen die negative Gleich­ spannung angeschlossen, wobei die Zenerdiode V 14 in Sperrichtung gepolt ist. Ein Kondensator C 10 mit einem niederohmigen Widerstand R 70 in Serie, der zur Strombe­ grenzung dient, ist ebenfalls am Gate-Anschluß des Transistors V 19 angeschlossen. Diese Serienschaltung ist mit einer positiven Gleichspannung verbunden. Die Zeit­ konstante des RC-Gliedes, welches aus Kondensator C 10 und Widerstand R 45 besteht, bestinmt die Dauer der Blockierung des Komparators durch den MOS-Feldeffekt­ transistor V 19. Die Zenerdiode V 14 dient zur Schnellent­ ladung des Kondensators C 10 nach dem Abschalten der Versorgungsspannungen.

Das Potentiometer R 7 ist mit einer Einstellskala, die eine Zeitskala ist, versehen. Mit dem Potentiometer R 10 kann diese Skala genau geeicht werden. Um die mit dem Potentiometer R 7 einstellbaren Zeitbereiche in Zehnerpo­ tenzen zu erhalten, wobei die Umschaltung zwischen den Zeitbereichen mit dem Schiebeschalter X 8 erfolgt, sind die Werte der Widerstände R 8 und R 12 genau um den Faktor 10 verschieden. Der Spannungsteiler R 11; R 14 weist ebenfalls ein Verhältnis von 10:1 auf. Es kann somit mit dem Schiebeschalter X 8 der Ladestrom für den Integrator um drei Zehnerpotenzen verstellt werden. Der Ohmwert des Potentiometers R 7 könnte auch so gewählt werden, daß ein Zeitbereich im Verhältnis 10:1 überdeckt wird. Die Kapazitätswerte der beiden Kondensatoren C 1, C 2 könnten z. B. im Verhältnis 3:1 stehen, wobei dieser Faktor mit dem Potentiometer R 6 exakt eingestellt werden kann. Wird die Schaltung entsprechend obiger Angaben dimensioniert, so kann ein lückenloser Zeitbereich im Verhältnis 1 : 3000 eingestellt werden.

Der MOS-Feldeffekttransistor V 46 ist als Schalter be­ trieben und schließt in der Ruhestellung, d. h. bei offenem Eingang E, den Integrator kurz. Ein negatives Signal am Eingang E aktiviert die Zeitschaltung.

Der Widerstand R 22 in der Gegenkopplung des Integrators ist zur Strombegrenzung notwendig.

Zu erwähnen ist noch, daß an Stelle der beiden Schiebe­ schalter X 7, X 8 auch Stecker mit mehreren Positionen verwendet werden könnten.

Claims (5)

1. Elektronische Zeitschaltung mit einem Schwellwert­ schalter, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Integrator beschalteter Operationsverstärker (N 1.3) vorgesehen ist, dessen Integrationszeit kontinuierlich und in Stufen einstellbar ist und daß dem Integrator der Schwellwertschalter, insbesondere ein als Komparator arbeitender Operationsverstärker (N 1.4), nachgeschaltet ist, dessen Ausgang (A) der Ausgang der Zeitschaltung ist und daß in der Gegenkopplung, parallel zu dem Kondensator (C 1, C 2) des als Integrator beschalteten Operationsverstärkers (N 1.3) ein Transistor (V 46) angeordnet ist, über dessen Steuereingang (E) die Zeitschaltung aktivierbar ist.

2. Elektronische Zeitschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des als Integrator beschalteten Operationsverstärkers (N 1.3) über einen Widerstand (R 3) mit dem nichtinvertierenden Eingang des als Komparator arbeitenden Operations­ verstärkers (N 1.4) verbunden ist und daß der invertierende Eingang dieses Operationsver­ stärkers (N 1.4) über einen weiteren Widerstand (R 2) an den Schleifer eines Potentiometers (R 7) gelegt ist, welches beidseitig über je einen Vorwider­ stand (R 5, R 9) an eine negative Spannung angeschlossen ist und daß zum Potentiometer (R 7) und dem mit Nullpotential (P₀) verbundenem Vorwiderstand (R 5) eine Zenerdiode (V 8) parallel geschaltet ist.

3. Elektronische Zeitschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtinvertierende Eingang des als Integrator beschalteten Operationsverstärkers (N 1.3) mit Nullpotential (P₀) verbunden ist und der invertierende Eingang über einen Vorwiderstand (R 4) an ein Widerstandsnetz­ werk (R 8, R 10, R 11, R 12, R 14, X 8) angeschlossen ist und daß zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers (N 1.3) ein Kondensator (C 5) vorgesehen ist und daß parallel zum Vorwiderstand (R 4) und dem Operations­ verstärker (N 1.3) einerseits ein weiterer Widerstand (R 22) dem zwei über ein Potentiometer (R 6), von dem ein Anschluß mit Nullpotential (P₀) verbunden ist, parallel geschaltete Kondensatoren (C 1, C 2) folgen, wobei über einen Schalter (X 7) der Widerstand (R 22) entweder an dem einen oder dem anderen Kondensator (C 1, C 2) anschließbar ist und andererseits der Transistor (V 46), insbesondere die Drain-Source-Strecke eines MOS-Feldeffekt­ transistors (V 46), angeordnet ist und daß der den Eingang der Zeitschaltung darstellende Steuereingang (E) des Transistors (V 46), insbesondere der Gate-Anschluß des MOS-Feldeffekttransistors (V 46), über einen Widerstand (R 62) an einer positiven Spannung angeschlossen ist.

4. Elektronische Zeitschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsnetzwerk (R 8, R 10, R 11, R 12, R 14, X 8) an eine, mit einer Zenerdiode (V 9), die einen Vorwiderstand (R 17) aufweist, stabilisierte positive Spannung angeschlossen ist und aus einem, zur Zenerdiode (V 9) parallel angeordnetem, Potentio­ meter (R 10) besteht, an dessen Schleifer ein Spannungsteiler (R 11, R 14) angeschlossen ist, der mit zwei in Serie geschalteten und an Nullpotential (P₀) gelegten Widerständen (R 11, R 14) aufgebaut ist und daß ein mindestens dreistufiger Schiebeschalter (X 8) vorgesehen ist, an dem die beiden Spannungen des Spannungsteilers (R 11, R 14) gelegt sind, sowie zwei Widerstände (R 8, R 12) angeschlossen sind, die mit dem Widerstand (R 4) am invertierenden Eingang des als Integrator beschalteten Operationsverstärkers (N 1.3) verbunden sind und daß mit dem Schiebeschalter (X 8) jeweils eine Spannung des Spannungsteilers (R 11, R 14) an jeweils einen Widerstand (R 8, R 12) anlegbar ist.

5. Elektronische Zeitschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Eingang des als Komparator arbeitenden Operationsverstärkers (N 1.4) mit einem Transistor (V 19) verbunden ist, insbesondere mit dem Drain-Anschluß eines MOS-Feldeffekttransistors (V 19), dessen Source-Anschluß an die negative Spannung gelegt ist und der am Gate-Anschluß eine Widerstand- Kondensator-Serienschaltung (C 10, R 70) gegen die positive Spannung, sowie einen mit der negativen Spannung verbundenen Widerstand (R 45), dem parallel in Sperrichtung eine Zenerdiode (V 14) geschaltet ist, aufweist.