DE1095370B - Anordnung zur kontaktlosen Umformung eines kontinuierlich veraenderlichen Steuerbefehls in eine Sprungspannung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur kontaktlosen Umformung eines kontinuierlich veränderlichen Steuerbefehls in eine bei einem vorgebbaren Wert von ihm sprungartig einsetzende Spannung mittels Transistorkippstufen, die von in der Brücke einer Brückenschaltung mit Stellwiderständen liegenden Transistoren gesteuert werden.

Bei zahlreichen Problemen der Steuerungs- und Regelungstechnik tritt die Aufgabe auf, sprungartig einen Schaltvorgang auszulösen, wenn eine bestimmte Steuergröße einen vorgegebenen Wert erreicht. Hierzu ist es bisher üblich, Relaisschaltungen zu verwenden. Wird die Steuergröße als elektrische Spannung dargestellt, so wird die Relaisschaltung so bemessen, daß sie anspricht, wenn die Steuerspannung eine ausreichende Größe hat. Als Beispiel für derartige Anwendungen diene die Steuerung eines Stellmotors auf Rechts- und Linkslauf. Nachteilig bei den bekannten Schaltungen wirkt sich aus, daß die Relais mechanisch bewegte Teile besitzen, die der Abnutzung unterliegen, und daß sich diese Relais nicht beliebig weit verkleinern lassen. Wenn auch die zur Zeit üblichen Relais eine hohe Lebensdauer besitzen, so ist es doch erforderlich, sie von Zeit zu Zeit auszuwechseln. Ein weiterer Nachteil der Relais besteht darin, daß ihre Ansprech- und Abfallzeiten in der Größenordnung von einigen Millisekunden liegen und ein Unterschreiten dieser Zeiten auf mechanischem Wege nicht möglich ist. Diese Zeiten gehen bei Verwendung der Relais in Regelkreisen als Totzeiten ein und bestimmen die Geschwindigkeit, mit der der Regelvorgang ausgelöst wird. Für viele Fälle ist diese Zeit zu groß. Man ist daher bereits dazu übergegangen, Transistoren als Schalter einzusetzen. Um dabei auch ausreichend große Leistungen schalten zu können, ohne daß es zu einer Zerstörung der Transistoren kommt, ist es erforderlich, den Bereich, in dem die Überlastungsgefahr besteht, während des Schaltens möglichst schlagartig zu durchlaufen. Es besteht daher die Notwendigkeit, die Spannungen an dem Schalttransistor plötzlich zu ändern. Dies kann beispielsweise über bistabile Kippstufen geschehen, deren Ausgangsspannungen sich bei dem Kippvorgang entsprechend verhalten. Auch diese Stufen werden mit Transistoren aufgebaut. Um ein definiertes Ansprechen der Kippstufen bei einem bestimmten, durch kontinuierliche Verstellung eines Stellgliedes sich ergebenden Steuerbefehl sicherzustellen, müssen sie in geeigneter Weise gesteuert werden. Für diesen Zweck bietet sich die bekannte Brükkenschaltung an, die in wenigstens einem ihrer Zweige das Stellglied enthält und mit ihrer Diagonalspannung ein unstetiges Schaltglied, z. B. ein Relais oder ein elektronisches Stromtor, speist, wenn man auch für das unstetige Schaltglied einen Transistor verwendet.

Anordnung

zur kontaktieren Umformung

eines kontinuierlich veränderlichen

Steuerbefehls in eine Sprungspannung

Anmelder:

LICENTIA Patent-Verwaltungs - G. m. b. H._r Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Hans Haedecke, Berlin-Tempelhof,
ist als Erfinder genannt worden

Die dabei durch die Verwendung von Transistoren erzielbaren Vorteile werden aber zumindest dadurch aufgehoben, daß eine größere Anzahl von Stufen benötigt wird und dadurch der Aufwand für Schaltelemente und Spannungsquellen der einzelnen Stufen nicht mehr vernachlässigbar ist. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diesen Aufwand auf ein Minimum zu beschränken. Dies läßt sich durch eine günstige Vermaschung der einzelnen Stufen erreichen. Die erfindungsgemäße Anordnung zur kontaktlosen Umformung eines kontinuierlich veränderlichen Steuerbefehls in eine bei einem vorgebbaren Wert sprungartig einsetzende Spannung mittels Transistorkippstufen, die von in der Brücke einer Brückenschaltung mit Stellwiderständen liegenden Transistoren gesteuert werden nach der Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, daß, um Brückenschaltung, Kippstufen und Leistungsstufe an eine gemeinsame Spannungsquelle legen zu können, die Spannungen für Brückenschaltung und Kippstufen über einen Spannungsteiler getrennt werden, der die B rücken widerstände als Spannungsteilerwiderstände enthält, die zugleich auch die Rückkopplungswiderstände für die Kippstufen darstellen, welche über npn-Transistoren auf die Leistungsstufe wirken. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darüber hinaus in einer einwandfreien Potentialtrennung und guten Stabilisierung.

Eine vorteilhafte Anordnung ergibt sich, wenn die Spannung in der Brückendiagonalen als Emitter-Basis-Spannung des Transistors dient. Um zu verhindern, daß bei sehr großer Verstimmung der Brücke der Transistor überlastet wird, ist es vorteilhaft, einen Spannungsbegrenzer in die Brückendiagonale zu

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schalten, der beispielsweise aus einem Widerstand und denen die Größe des Steuerbefehles durch den Istwert

einem auf Sperrspannung beanspruchten Gleichrichter oder die Regelabweichung bestimmt wird oder die

parallel zu Emitter und Basis bestehen kann. Der Ausgangsspannung der Kippstufen bzw. des Stell-

Gleichrichter muß dabei so ausgewählt werden, daß er motors auf Übertragungsglieder des Regelkreises,

bei normaler Emitter-Basis-Spannung einen Durch- 5 insbesondere die Regelstrecke, einwirken,

laßstrom besitzt, der um ein Vielfaches größer ist als In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele

der Basisstrom. nach der Erfindung dargestellt.

Die Kippstufe kann aus zwei voneinander abhängig Fig. 1 zeigt eine Schaltung nach der Erfindung, bei

gesteuerten pnp-Transistoren bestehen. Zur Ankopp- der nur eine Richtung des Steuerbefehles möglich ist.

lung dieser Stufe an den Verbraucher ist ein ihr nach- io Bei der Schaltung nach

geschalteter npn-Transistor geeignet. Eine vorteilhafte Fig. 2 werden entsprechend der Richtung des

Anordnung ergibt sich, wenn der Kollektor des in der Steuerbefehles unterschiedliche Ausgangsspannungen

Brückendiagonalen liegenden Transistors und die Ba- erzeugt, die auf ein Schaltwerk zur Speisung eines

sis des ersten Kipptransistors über einen gemeinsamen Stellmotors wirken.

Widerstand einem Pol der Spannungsquelle zugeführt 15 Bei der Schaltung nach Fig. 1 wirkt der Steuersind. Die Anordnung wird dann so bemessen, daß bei befehl verstellend auf einen oder beide Abgriffe 1 nichtstromführendem Transistor in der Brückendia- und 2 der Widerstände 3 und 4. Diese beiden Widergonalen der erste Kipptrarisistor eine solche Emitter- stände stellen eine Brückenschaltung dar, die durch Basis-Spannung besitzt, daß er stromführend ist. eine an die Klemmen 5 und 6 angeschlossene Span-Sein kleiner Innenwiderstand ruft dann an dem ihm 20 nungsquelle gespeist wird. In die Verbindung der beinachgeschalteten zweiten Kipptransistor eine Emitter- den Abgriffe 1 und 2 ist der Transistor 7 geschaltet. Basis-Spannung hervor, die einen Stromfluß durch Zur Vermeidung seiner Überlastung bei maximaler diesen Transistor unterbindet. Wird der Ankopplungs- Verstimmung der Brücke ist eine Spannungsbegrentransistor dieser Kippstufe an den Verbraucher so ge- zung vorgesehen, die aus dem Widerstand 8 und dem schaltet, daß der Kollektorstrom des zweiten Kipp- 25 Gleichrichter 9 besteht. Der Kollektor des Transitransistors den sonst auf ' negativem Emitter-Basis- stors 7 ist über den Widerstand 10 an den negativen Potential gehaltenen npn-Transistor zur Ankopplung Pol der speisenden Spannungsquelle angeschlossen, in den stromführenden Zustand überführt, so tritt bei An die Verbindung vom Kollektor des Transistors 7 nicht fließendem Kollektoi-strom des zweiten Kipp- zum Widerstand 10 ist die Basis des ersten Kipptrantransistors auch an dem Ankopplungstransistor keine 30 sistors 11 geführt. Zur Einstellung der zum Betrieb Spannung auf. Wird der Transistor in der Brücken- der Kippstufe erforderlichen Spannungen dient der diagonalen stromführend, so tritt an dem Widerstand Widerstand 12. Die Steuerung des ersten Kipptranin seinem Kollektorstromkreis, der, wie dargelegt, mit sistors in Abhängigkeit von dem Transistor 7 in der der Basis des ersten Kipptränsistors verbunden ist, ein Brückendiagonalen erfolgt in der bereits oben dar-Spannungsabfall auf, der die Emitter-Basis-Spannung 35 gelegten Weise. Durch die Reihenschaltung von Brücke des ersten Kipptransistors so verändert, daß er in den und Kippstufe werden Rückwirkungen von der Ausstromführenden Zustand übergeht. Damit vergrößert gangsgröße auf die Eingangsgröße, und umgekehrt, sich sein Innenwiderstand und die an dem zweiten vermieden. Gleichzeitig kann man durch geeignete Kipptransistor liegende Emitter-Basis-Spannung. Es Auslegung eine maximale Empfindlichkeit erhalten, kann ein Strom durch diesen Transistor fließen. Damit 40 Solange kein Kollektorstrom des Transistors 7 über tritt auch im Kollektorkreis des durch diesen Strom- den Widerstand 10 fließt, ist bei der gewählten Ausfluß gesteuerten npn-Transistors eine sprungartige steuerung der Transistor 11 stromführend. Sein KoI-Ausgangsspannung auf. lektorstrom fließt über den Widerstand 13. Dabei tritt

Wenn das Problem vorliegt, je nach der Richtung an dem Widerstand 14, bedingt durch den kleinen Indes Steuerbefehls unterschiedliche Ausgangsspannun- 45 nenwiderstand des Transistors 11, nur ein so kleiner gen zu erhalten, so kann man diese durch eine Erwei- Spannungsabfall auf, daß die durch ihn hervorgeruterung des Erfindungsgedankens in der Weise lösen, fene Emitter-Basis-Spannung des zweiten Kipptrandaß von der Spannung in der Brückendiagonalen zwei sistors 15 nicht ausreicht, einen Stromfluß durch die-Transistoren in entgegengesetzter Richtung gesteuert sen Transistor über die Widerstände 16 und 17 zu werden. Bei Erreichen einer vorgebbaren Spannung 50 bewirken. Der aus pnp-Transistoren bestehenden mit der einen Polarität wird dann der eine Transistor Kippstufe nachgeschaltet ist der npn-Transistor 18, und bei einer Steuerspannung mit der anderen Polari- der zur Ankopplung der Ausgangsgröße an den Vertat der andere Transistor stromführend. Jeder der braucher dient. Über den Widerstand 17 liegt die Babeiden Transistoren wirkt steuernd auf eine der be- sis dieses Transistors an negativem Potential. Da schriebenen Kippstufen, an deren Ausgang dann 55 npn-Transistoren eine positive Spannung — bezogen sprungartig entsprechend der Richtung des Steuer- auf den Emitter — benötigen, um den Stromfluß freibefehls die gewünschte Spannung auftritt. zugeben, fließt auch durch diesen Transistor kein

Eine derartige Anordnung kann beispielsweise zur Strom. Der Kollektor des Transistors 18 ist über den

Speisung eines kontaktlosen Schaltwerkes für einen Widerstand 19 an die Ausgangsklemme 20 geführt,

in seiner Drehrichtung von der Richtung des Steuer- 60 Zwischen dieser und der Ausgangsklemme 21 tritt da-

befehles abhängigen Stellmotor dienen. Verwendet her keine Spannung auf.

man ein an anderer Stelle vorgeschlagenes Schalt- Wird nun die Brücke durch Verstellung der Abwerk, das aus einer Brückenschaltung von Transisto- griffe 1 und 2 verstimmt, so erhält der Transistor 7 ren besteht, deren Steuerkreise derart voneinander ab- eine Emitter-Basis-Spannung, unter deren Einfluß ein hängig sind, daß der Strom nur in vorgegebener Rieh- 65 Kollektorstrom über den Widerstand 10 fließt. Vom tung über den Verbraucher fließen kann, der in einer Überschreiten des Schwellwertes der Emitter-Basis-Brückendiagonalen liegt, so kann man dieses Schalt- Spannung ab bleibt der Kollektorstrom über den gewerk und die Anordnung nach der Erfindung aus einer samten Verstellbereich der Widerstandsabgriffe nahe-Spannungsquelle speisen. Es ergeben sich daraus be- zu konstant. Dadurch wird eine gleichmäßige Empsonders vorteilhafte Anordnungen für Regelkreise, bei 70 findlichkeit der Anordnung erreicht. Unter dem Ein-

fluß dieses Kollektorstromes verringert sich die Emitter-Basis-Spannung am Transistor 11 infolge des durch ihn hervorgerufenen Spannungsabfalles am Widerstand 10 so lange, bis der Kollektorstrom des Transistors 11 an den Knick zum waagerechten Teil seiner Kennlinie gelangt ist. In diesem Moment vergrößert sich der Innenwiderstand des Transistors 11 sprunghaft unter gleichzeitiger Abnahme der Spannung am Widerstand 13. Die dadurch hervorgerufene Veränderung der Spannungsverhältnisse reicht aus, um die Emitter-Basis-Spannung am Transistor 15 auf einen Wert zu bringen, der den Stromfluß durch diesen Transistor freigibt. Dieser sprunghaft einsetzende Strom ruft an den Widerständen 16 und 17 eine sprunghaft einsetzende Spannung hervor. Diese Spannung verändert die Emitter-Basis-Spannung am Emitter 18 so, daß sein Kollektorstrom über einen zwischen die Klemmen 20 und 21 angeschlossenen Verbraucher fließen kann.

Fig. 2 zeigt ein erweitertes Ausführungsbeispiel, bei dem je nach der Richtung des Steuerbefehles unterschiedliche Spannungen am Ausgang auftreten. Schaltelemente, die bereits in Fig. 1 beschrieben sind, sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Soweit sie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 doppelt vorkommen, sind sie zur Unterscheidung mit einem oder mit zwei Strichen versehen.

Eine Veränderung der Widerstandsabgriffe 1 und 2 bewirkt je nach ihrer Richtung eine Verschiebung der Emitter-Basis-Spannung des Transistors T zu negativen und des Transistors 7" zu positiven Werten bzw. umgekehrt. Dementsprechend wird durch diese Verschiebung nur eine der beiden Kippstufen so ausgesteuert, daß an ihrem Ausgang sprungartig eine Spannung auftritt. Erfolgt die Verstellung der Wider-Standsabgriffe 1 und 2 beispielsweise so, daß der Transistor 7' stromführend wird, so wird, wie oben beschrieben, der Transistor 18' stromführend. Es fließt also sein Kollektorstrom über den zwischen seine Klemmen 20' und 21' geschalteten Widerstand 22'. +0 Dieser Widerstand gehört zu einem Schaltwerk zur Steuerung eines Stellmotors 23 auf Rechts- oder Linkslauf entsprechend einem vorgegebenen Steuerbefehl. Dieser Stellmotor liegt in der einen Brückendiagonalen der von den Schalttransistoren 24 bis 27 gebildeten Brückenschaltung. Diese Brückenschaltung wird von der Spannungsquelle, die an die Klemmen 5 und 6 angeschlossen ist, gespeist. Zwischen Spannungsquelle und Brückenschaltung ist dabei noch der Widerstand 29 geschaltet. Zur Einstellung der notwendigen Emitter- und Kollektorpotentiale dienen darüber hinaus noch die Widerstände 30 und 31. Jedem der Schalttransistoren 24 bis 27 ist ein Hilfsschalttransistor zugeordnet. Die Hilfsschalttransistoren sind mit 34 bis 37 bezeichnet. Ihre Emitterkontakte sind mit den Basiskontakten der Schalttransistoren verbunden. Auch hier dient zur Einstellung der zum Betrieb notwendigen Spannungen eine Reihe von Widerständen. Diese Widerstände sind mit 38 bis 43 bezeichnet. Die Steuerung der Hilfsschalttransistoren und der Schalttransistoren entsprechend der gewünschten Motordrehrichtung erfolgt durch Änderung der an den Hilfsschalttransistoren 35 und 37 liegenden Basisspannung. Diese Basisspannung liefert der Spannungsabfall des Kollektorstromes durch den Transistor 18' an dem Widerstand 27' bzw. der Spannungsabfall des Kollektorstromes des Transistors 18" an dem Widerstand 22". Je nachdem, ob der Hilfsschalttransistor 35 oder der Hilfsschalttransistor 37 ausgesteuert ist, wird ein Stromfluß über den Schalttransistor 25, den Motor 23 und den Schalttransistor oder durch den Schalttransistor 27, den Motor 23 und den Schalttransistor 24 freigegeben. Die Stromflußrichtung durch den Motor 23 und damit seine Drehrichtung hängt also ab von der Richtung der Verstellung der Abgriffe 1 und 2 an den Widerständen 3 und 4. Bei dieser Schaltung werden mit Ausnahme der Umwandlung des mechanischen Steuerbefehles in einen elektrischen Steuerbefehl sämtliche mechanischen Kontakte vermieden. Darüber hinaus kann die Anordnung von einer einzigen Spannungsquelle aus betrieben werden.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur kontaktlosen Umformung eines kontinuierlich veränderlichen Steuerbefehles in eine bei einem vorgebbaren Wert von ihm sprungartig einsetzende Spannung mittels Transistorkippstufen, die von in der Brücke einer Brükkenschaltung mit Stellwiderständen liegenden Transistoren gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß, um Brückenschaltung (3, 4 und 8, T), Kippstufen (11, 15) und Leistungsstufe (24 bis 27) an eine gemeinsame Spannungsquelle legen zu können, die Spannungen für Brückenschaltung und Kippstufen über einen Spannungsteiler getrennt werden, der die Brückenwiderstände (3, 4) als Spannungsteilerwiderstände enthält, die zugleich auch die Rückkopplungswiderstände für die Kippstufen (11, 15) darstellen, welche über npn-Transistoren (18) auf die Leistungsstufe wirken.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung in der Brückendiagonalen die Emitter-Basis-Spannung für den Transistor (7) ist.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch einen Spannungsbegrenzer in der Brückendiagonalen, vorzugsweise aus einem Widerstand (8) und einem auf Sperrspannung beanspruchten Gleichrichter (9) parallel zu Emitter und Basis des Transistors (7).

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippstufe aus zwei voneinander abhängig gesteuerten pnp-Transistoren (11, 15) und einem npn-Transistor (18) zur Ankopplung der Ausgangsspannung an den Verbraucher (23) besteht.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des in der Brückendiagonalen liegenden Transistors (7) und die Basis des ersten Kipptransistors (11) über einen gemeinsamen Widerstand (10) an einen Pol der Spannungsquelle geführt sind.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine solche Emitter-Basis-Spannung des ersten Kipptransistors (11), daß bei nichtstromführendem Transistor (7) in der Brükkendiagonalen der erste Kipptransistor (11) stromführend ist und durch seinen kleinen Innenwiderstand an dem zweiten Kipptransistor (15) eine Emitter-Basis-Spannung hervorruft, die einen Stromfluß durch diesen Transistor unterbindet, dessen Kollektorstrom einen sonst auf negativem Emitter-Basis-Potential gehaltenen npn-Transistor (18) in den stromführenden Zustand überführt.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsabfall

des Kollektorstromes des Transistors (7) in der Brückendiagonalen an dem im Basiskreis des ersten Kipptransistors (11) liegenden Widerstand (10) die Emitter-Basis-Spannung dieses Transistors (11) so verändert, daß er in den stromsperrenden Zustand übergeht und sein dadurch steigender Innenwiderstand an dem zweiten Kipptransistor (15) eine Emitter-Basis-Spannung hervorruft, die den Stromfluß über ihn freigibt, so daß im Kollektorkreis des durch ihn gesteuerten npn-Transistors (18) eine sprungartige Ausgangsspannung auftritt.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung von der Richtung des Steuerbefehles abhängiger Spannungen von der Spannung in der Brückendiagonalen zwei Transistoren (T, 7") in entgegengesetzter Richtung derart gesteuert werden, daß bei Erreichen einer vorgebbaren Spannung mit der einen Polarität der eine Transistor (7') und der anderen ao Polarität der andere Transistor (7") stromführend wird, und daß jedem der beiden Transistoren eine Kippstufe, vorzugsweise gleichfalls mit Transistoren (H' , 15' , 11", 15") nachgeschaltet ist, an deren Ausgang sprungartig eine Spannung auftritt, wenn der sie steuernde Transistor (T, 7") stromführend wird.

9. Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die von der Spannung an der Brückendiagonalen gesteuerten Transistoren (T, 7") über die ihnen nachgeschalteten Kippstufen (H', 15' 11", 15") und Kopplungstransistoren (18', 18") ein elektrisches kontaktloses Schaltwerk (24 bis 27) für einen in seiner Drehrichtung von der Richtung des Steuerbefehles abhängigen und vorzugsweise aus der die Brückenschaltung speisenden Spannungsquelle gespeisten Stellmotor (23) steuern.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentanmeldung ρ 47683 VIIIb/21 c D (bekanntgemacht am 27. 9. 1951);

Zeitschrift »Elektronik«, 1957, Nr. 2/3, S. 33;

»Elektrotechnische Zeitschrift«, 1951, H. 19, S.579;

Zeitschrift »Archiv für Technisches Messen«, Mai 1936, Blatt J 062-14;

Zeitschrift »Elektro-Anzeiger«, 1957, Nr. 18, S.153 bis 156;

»Siemens-Zeitschrift«, 1957, H. 10/11, S. 499.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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