DE971492C - Schaltungsanordnung mit Transistoren zur Einleitung von Regelvorgaengen und zur Ausloesung von Anzeigevorrichtungen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 5. FEBRUAR 1959

D 19221 VIIId J74c

Otto Schulz, Darmstadt

ist als Erfinder genannt worden

Deutsche Bundespost,

Darmstadt

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit Transistoren zur Einleitung von Regelvorgängen und zur Auslösung von Anzeigevorrichtungen.

Elektrische Geräte zur Steuerung von Regelvorgängen bestehen im allgemeinen aus einem von der Eingangsgröße abhängigen Steuerglied, oft einem durch Temperatur, Strahlung, Feuchtigkeit usw. beeinflußbaren Widerstand, der dann einen Stromkreis mit einem mechanischen oder elektrischen Relais entsprechend beeinflußt.

Der einfache und raumsparende "Aufbau von Schaltanordnungen mit Transistoren hat dazu geführt, diese an Stelle von Röhrenschaltungen an vielen Stellen einzusetzen. Es hat sich gezeigt, daß der Transistor der Elektronenröhre in ' vielen Fällen ebenbürtig, in manchen Fällen sogar überlegen ist. Die lange Lebensdauer des Transistors, seine Betriebssicherheit, die einfache Wartung und der geringe Leistungsbedarf machen ihn besonders geeignet für den Betrieb in Rege}- und Kontrollanlagen.

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Bei den bisher verwirklichten Kontroll- und Regeleinrichtungen mit Transistoren werden meistens mehrere Transistorenstufen mit getrennten Steuer- und Arbeitskreisen und verschiedenen Aufgaben für jede Stufe angeordnet. Die die Auslösung eines Regelsignals bewirkende Eingangsstufe spricht dabei bereits auf sehr kleine Änderungen des Emittorstroms an, auch eine geringe Änderung der Versorgungsspannung bewirkt dabei oft eine Auslösung, da der Arbeitspunkt nicht stabil genug festgehalten ist.

Die Erfindung verwendet demgegenüber einen Transistor oder eine Transistorenkombination mit bistabilem Verhalten. Es wird hierdurch ein indifferentes Verhalten der Anordnung verhindert, da nur zwei Arbeitspunkte möglich sind. Gemäß der Erfindung werden dabei gegenüber anderen Schaltungen mit Transistoren mit bistabilem Verhalten den beiden möglichen Arbeitspunkten auf einer U_e = ^(Z₆)-Kennlinie die Abgabe von Signalen unterschiedlicher Stromart zugeordnet. Die Zuordnung der Signale unterschiedlicher Stromart zu verschiedenen Werten der Eingangsgröße' erfolgt mittels durch die Eingangsgröße in ihrem Wert veränderbarer Widerstände. Die sehr einfach zu trennenden Signale unterschiedlicher Stromart können dann in getrennten Betätigungskreisen Stellglieder oder Warnsignalgeber betätigen. - Es wird hierzu ein PNPN-Transistor oder eine aus einem PNP- und einem NPN-Transistor zusammengesetzte Kombination verwendet, wobei bei der Kombination die Stromzuführung für die Kollektor- und Basiselektroden gemeinsam erfolgt.

Die von der Eingangsgröße abhängigen Widerstände können dabei über längere Leitungen mit der Schaltungsanordnung verbunden sein. Da die veränderbaren Widerstände hochohmig ausgeführt werden können, lassen sich Regelungen auch über weite Entfernungen durchführen.

Die Eingangsgröße kann je nach dem Anwendungszweck der erfindungsgemäßen Schaltanordnung verschiedenster Art sein, dementsprechend kommen verschiedene von der Eingangsgröße abhängige Widerstände zur Anwendung.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß an dem Arbeitspunkt mit kleinem Emittorstrom J₁ eine im PNP-Teil des, Transistors oder der Transistorenkombination in einem zwischen Emittor E und Kollektor K angeschalteten Schwingkreis L-C erzeugte, im NPN-Teil des Transistors oder der Transistorenkombination verstärkte Wechselspannung einen im Außenkreis über einen Übertrager Ü angeschlossenen Wechselstromempfänger L zur Signalabgabe veranlaßt, am Arbeitspunkt mit großem Emittorstrom J₂ die Schwingbedingung für den Wechselstromgenerator aufgehoben wird und der durch die hohe Stromverstärkung des' PNPN-Transistors oder der So PNP-NPN-Transistorenkombination hervorgerufene große Gleichstrom einen direkt im Außenkreis liegenden Gleichstromempfänger, vorzugsweise ein elektromechaniscb.es Relais, zum An sprechen bringt, wobei der Umsprung von einem zum anderen der beiden möglichen Arbeitspunkte durch die Änderung· der zwischen Basis und Emittor liegenden Spannung mittels im Emittor- oder Basiskreis angeordneter, von der · Eingangsgröße abhängiger Widerstände R_t, R₃ herbeigeführt wird.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung können die veränderlichen Widerstände in ihrem Wert z. B. vom physikalischen Zustand des sie umgebenden Mediums abhängen. Zum Beispiel kann ein Heiß- oder Kaltleiter als temperaturabhängiger Widerstand in der erfindungsgemäßen Schaltanordnung für eine Temperaturüberwachungsanlage verwendet werden.

Nach einer anderen Ausbildung der Erfindung kann der veränderbare Widerstand von der Intensität der auf ihn einwirkenden Strahlung abhängig sein und z. B. zur Steuerung einer Lichtschranke dienen. Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung liegt je ein Ohmscher Festwiderstand und ein veränderbarer Widerstand als Spannungsteiler entweder im Emittor- oder im Basiskreis oder auch in beiden gleichzeitig. Auch können der Ohmsche Festwiderstand und der von der Eingangsgröße abhängige Widerstand parallel geschaltet sein, wobei dann der Ohmsche Festwiderstand zweckmäßig von Hand einstellbar ist, um einen günstigen Gesamtwiderstand zu erzielen.

Im folgenden sei die Erfindung an Hand eines Diagramms und zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Abb. ι zeigt den in der erfindungsgemäßen Schaltanordnung benutzten Teil der I_e = f(U_e)-Kennlinie mit den beiden sich ergebenden Arbeitspunkten ; ■

Abb. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel für einen Temperaturüberwachungskreis mit einer Transistorenkombination dar;

Abb. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem PNPN-Transistor, bei dem ein Heiß- oder Kaltleiter oder auch beispielsweise eine Photozelle als abhängiger Widerstand verwendet werden kann. Nach der Abb. 1 wird der fallende Teil der Kennlinie U_e = f(J_e) für den Umsprung von einem zum anderen. Arbeitspunkt ausgenutzt. Die An-Ordnung springt bei einer kleinen Überschreitung der Emittorspannung nach oben von einem Punkt kleinen Emittorstroms J₁ zu -einem Punkt mit großem Emittorstrom J₂ und bleibt dort stehen. Zur Steuerung des Umsprungs muß die Emittorspannung geändert werden. Dies kann bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung durch die mit der Eingangsgröße veränderlichen Widerstände erreicht werden. Bei einer Änderung der Emittorspannung nach kleineren Werten zu springt der Arbeitspunkt wieder zum Punkt J₁ zurück. Im Punkt J₁ ist für den an den ersten Teil des Transistors oder der Transistorenkombination angeschalteten Schwingkreis die Schwingbedingung gegeben. Der Schwingkreis kann dabei zwischen Emittor und Kollektor oder auch Basis

und Kollektor des ersten Transistorteils liegen. Eine Anordnung des Schwingkreises zwischen Kollektor und Basis der gesamten Anordnung hat sich nicht stabil genug erwiesen, wie Versuche ergaben. Durch den großen Stromverstärkungsfaktor des PNPN-Transis.tors oder der PNP-NPN-Transistorenkombination wirken sich kleine Änderungen der Stromversorgung des ersten Transistorteils sehr stark am zweiten Transistorteil aus. Es ίο hat sich gezeigt, daß bereits bei kleinen Änderungen der Stromversorgung die Schwingung abreißt. Wird dagegen, wie bei der Erfindung, nur der erste Teil des Transistors oder der Transistorenkombination zur Schwingungserzeugung ausgenutzt, so wird hierdurch ein geschlossenes Schwingsystem mit relativ kleiner Empfindlichkeit für Schwankungen der Stromversorgung geschaffen. Dieses System arbeitet sicher und wird nicht durch kleine Änderungen der Versorgungsspannung aus seiner gewünschten Arbeitslage gesteuert. Erst die befohlene Steuerung zu dem anderen Arbeitspunkt läßt die Schwingung entweder anfachen oder erlöschen.

Im Arbeitspunkt J₂ ist die Schwingung eras loschen, gleichzeitig fließt aber im Außenkreis der Anordnung (Kollektorkreis des NPN-Teils) durch die hohe Stromverstärkung der PNPN-Kombination ein erheblich größerer Gleichstrom, der ein im Gleichstromweg des Außenkreises liegendes Relais zum Ansprechen bringt, über das dann entsprechende Stellglieder betätigt werden können. Die Schaltung der Abb. 2 zeigt eine Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltanordnung für eine Temperaturüberwachungsanlage mit akustischer Signalgabe an einem und Betätigung eines Stellgliedes an dem anderen Arbeitspunkt. In der Abb. 2 bedeuten die PNP-Verbindung den ersten Teil und die NPN-Verbindung den zweiten Teil einer Transistorenkombination. Mit Is ist der Emitter, mit B die Basis und mit K der Kollektor des ersten Teils bezeichnet. Der Schwingkreis liegt in der Abb. 2 zwischen Emittor und Kollektor und ist auf die Basis gekoppelt. Er besteht aus der Induktivität L und der Kapazität C. Im Außenkreis liegen der Übertrager Ü für einen Lautsprecher LJT und ein Gleichstromrelais R_a. Die Widerstände R₁ und R₃ bilden einen Spannungsteiler im Emittorkreis. R₁ ist ein Ohmscher Festwiderstand und R_s ein temperaturabhängiger Widerstand. Im Basiskreis liegen die Widerstände R₂ und i?₄, wovon i?₄ temperaturabhängig ist. Die iemperaturabhängigen Widerstände sollen einen negativen Temperaturkoeffizienten haben, sie können z. B. Heißleiter sein. Die Schaltelemente sind jetzt so eingestellt, daß an den Punkten a und b ein annähernd gleiches Potential herrscht. Bei einer Erwärmung von i?₄ wird dessen Widerstand kleiner, der Punkt α und damit auch die Basis dadurch negativer gegenüber ihrer Ausgangsstellung und gegenüber dem Emittor. Ist also jetzt der Emittor positiver gegenüber der Basis, so springt der Transistor, bedingt durch die negative Widerstandskennlinie, von einem Arbeitsp.unkt mit kleinem Emittorstrom J₁ auf einen Arbeitspunkt mit hohem Strom J₂ und bleibt hier zunächst stehen.

Durch diesen Umsprung treten verschiedene Änderungen in der Schaltanordnung ein. Der Emittor des ersten Teils der Transistorenkombination¹ ist jetzt stark negativ geworden, und die Schwingung setzt aus. Das Relais im Aüßenkreis der Schaltanordnung bekommt einen stark erhöhten Strom und tritt in Arbeitsstellung. Die Relaiskontakte betätigen ein Stellglied, das eine z. B. langsamere oder schnellere Erwärmung eines Schmelzgutes verursacht. Erfolgt nun eine Erwärmung des Widerstandes R₃, der zweckmäßig eine andere Charakteristik wie i?₄ aufweist, so wird der Punkt b weiter negativ, und die Transistorenanordnung springt auf ihren alten Arbeitspunkt zurück, jetzt setzt auch wieder die Schwingung ein. Durch die Erwärmung von i?₄ durch die negativer werdende Basisspannung wird also das Umspringen vom Arbeitspunkt kleinen Stroms zum Arbeitspunkt großen Stroms, durch die weitere Erwärmung von i?₃ das Zurückspringen zum Arbeitspunkt kleinen Stroms hervorgerufen. Mit der Anordnung nach Abb. 2 ist es also bei zweckentsprechender Auswahl der Heißleiter und ihrem günstigen Einbau möglich, daß, z. B. bei einem metallurgischen Herstellungsverfahren, bestimmten Temperaturbereichen eines Schmelzofens die Betätigung eines Stellgliedes zugeordnet wird, das z. B. .Zusatzstoffe in das Schmelzgut fördert, einen Gasstrom auf die Schmelze einwirken läßt od. dgl.

Abb. 3 zeigt gleichfalls eine Anordnung für eine Temperaturkontrollanlage. Der temperaturabhängige Widerstand R₍ liegt dabei parallel zu einem regelbaren Widerstand im Basiskreis. Es wird ein PNPN-Transistor verwendet. Der Schwingkreis L-C liegt zwischen Kollektor und Basis, als Wechselstromempfänger dient ein Wechselstromrelais, Lautsprecher od. dgl. Bei Erwärmung des Heißleiters wird z.B. die vorher erfolgende Wechselstromabgabe unterbrochen, und das im Kollektorkreis der Anordnung liegende Gleichstromrelais R₀ steuert einen Vorgang. Die Anwendungsmöglichkeiten für diese Schaltung sind sehr vielseitig. Durch die verschiedenen Kombinationen der temperaturabhängigen Widerstände unter sich oder in Verbindung mit 0hmschen Widerständen ist ein großer Spielraum für Regelmöglichkeiten und Schaltungen gegeben. Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung kann z. B. auch so eingesetzt werden, daß im eingestellten Zustand das Gleichstromrelais arbeitet und dadurch einen Vorgang betätigt, der Wechselstromsignalgeber ist noch in Ruhestellung. Steigt jetzt eine Temperatur über einen bestimmten Punkt an oder fällt sie unter einen bestimmten Punkt ab, so springt der Transistor auf einen Arbeitspunkt mit geringem Strom um, das Relais trennt seinen Arbeitsvorgang ab, und ein Warnsignal ertönt. Die Zeiten zwischen Ruhelage und Betrieb, d. h. die Begrenzung der Temperatur-

Schwankungen", können sehr fein eingestellt werden. Die Schaltanordnung kann auch ohne Gleichstromrelais arbeiten. Es können z. B.„an einem Widerstand im Außenkreis" der Anordnung durch den Umsprung. bedingte Impulse abgenommen und einer zweiten Regelanlage zugeleitet werden. Hierdurch kann eine zweite Schaltungsanordnung mit Transistoren zur Kontrolle und Regelung von .Temperaturen und zur

ίο Überwachung von Widerständen eingeschaltet werden. Die durch Impulse eingeschaltete Schaltungsanordnung führt nun von sich aus den Regeloder Kontrollvorgang durch. Es ist somit möglich, eine Stufenregelung mit mehreren Schal-

tungsanordnungen .durchzuführen. Über'.das im Außenkreis liegende Relais ■ können auch verschiedene Regelvorgänge ausgeführt werden. Über eine Taste T kann auch ein Umspringen des Arbeitspunktes von Hand eingeleitet werden.

J50 Der Einsatz der Schaltungsanordnung nach Abb. 3 kann auch vorteilhaft auf unbesetzte Ämter erfolgen. In diesem Fall wird der Ausgangsübertrager an einem Übergangsweg, z. B. Fernleitung, angeschlossen. Der Schwingungskreis wird für eine

»5 gewünschte Frequenz dimensioniert. Treten unerwünschte Temperaturänderungen auf, so wird durch eine Arbeitspunktveränderung der Transistor zum Anschwingen gebracht, und über den angeschlossenen Weg wird das Überwächungsamt

_So verständigt. Die temperaturabhängigen Widerstände können getrennt von der Schaltungsanordnung angebracht werden und über Leitungswege mit ihr in Verbindung stehen. Es können somit auch kleine Maschinenteile, kleine Geräte und auch Kabelanlagen von der Schaltung überwacht werden.

Der Erfindungsgedanke kann zu mannigfaltigen Anwendungen herangezogen werden und beschränkt sich keineswegs auf die angeführten Beispiele. So können bei Ausnutzung einer Strahlung, z. B. einer Lichtstrahlung als Eingangsgröße, die veränderlichen Widerstände als Photozellen ausgebildet werden, wenn z.B. in Abb. 3· an Stelle des Heißleiters R_t eine Kadmiumsulfidwider-Standszelle eingestellt wird.

Als Eingangsgröße kann weiter der Widerstand einer Leiterschleife herangezogen werden, der ja auch von der Temperatur abhängig ist. Überhaupt kann jede einen Widerstand ändernde Größe als Eingangsgröße benutzt werden.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Schaltungsanordnung mit Transistoren

   zur Einleitung von Regelvorgängen und zur Auslösung von Anzeigevorrichtungen, bei denen ein PNPN-Transistor oder eine aus einem PNP- und einem NPN-Transistor zusammengesetzte Kombination mit durch eine negative Widerstandskennlinie hervorgerufenem bistabilem Verhalten verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Arbeitspunkt mit kleinem Emittorstrom (J₁) eine im PNP-Teil des Transistors oder der Transistorenkombination in einem zwischen Emittor (E) und Kollektor (K) angeschalteten Schwingkreis (L-C) erzeugte, im NPN-Teil des Transistors oder der Transistorenkombination verstärkte Wechselspannung einen im Außenkreis über einen Übertrager (Ü) angeschlossenen Wechselstromempfänger (L) zur Signalabgabe veranlaßt, am Arbeitspunkt mit großem Emittorstrom (J₂) die Schwingbedingung für den Wechselstromgenerator aufgehoben wird und der durch die hohe Stromverstärkung des PNPN-Transistors oder der PNP-NPN-Transi'storenkombination hervorgerufene große Gleichstrom einen direkt im Außenkreis liegenden Gleichstromempfänger, vorzugsweise ein elektromechanisches Relais, zum Ansprechen bringt, wobei der Umsprung von einem zum anderen der beiden möglichen Arbeitspunkte durch die Änderung .der zwischen Basis und Emittor liegenden. Spannung mittels im Emittor- oder Basiskreis angeordneter, von der Eingangsgröße abhängiger Widerstände (R_v R₃) herbeigeführt wird.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Eingangsgröße veränderbaren Widerstände über längere Leitungen mit der Schaltungsanordnung verbunden sind und daß die Widerstände groß gegenüber dem Leitungswiderstand sind.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Eingangsgröße veränderbaren Widerstände in ihrem Wert vom physikalischen Zustand des sie umgebenden ^lediums abhängen.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Eingangsgröße veränderbaren Widerstände in ihrem Wert von der auf sie einwirkenden Strahlung abhängen.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ohmscher und ein veränderlicher Widerstand als Spannungsteiler im Emittorkreis und/oder im Basiskreis liegen.
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ohmscher und ein veränderbarer Widerstand parallel geschaltet und der Ohmsche Widerstand regelbar ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen