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Elektronischer Schalter In der Steuerungs- und Regelungstechnik nimmt
das Gebiet der Erzeugung von Schaltsignalen aus einer elektrischen Spannung oder
einem elektrischen Strom oder aus einer in eine elektrische Spannung oder einen
elektrischen Strom umgeformten physikalischen Größe einen breiten Raum ein.
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Diese Geräte stehen nur in bestimmten Ausführungsformen bzw. in Verbindung
mit bestimmten Meßwerken zur Verfügung, so daß sich in vielen Anwendungsfällen eine
Anlage beträchtlich verteuert, weil ein Gerät mit Zeigerabtastung nicht mit den
verlangten äußeren Abmessungen oder nicht mit der erforderlichen Kontaktbestückung
zur Verfügung steht. Man hilft sich z. B. dadurch, daß man ein Gerät mit den verlangten
Abmessungen als Anzeiger oder Schreiber einsetzt, mit dem man das oder die Meßgeräte,
die man mit einer bestimmten Kontaktbestükkung zu Steueraufgaben benötigt, in Reihe
schaltet. Derartige Maßnahmen verteuern die Schaltanlagen beträchtlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Gewinnung von Signalen
aus einer elektrischen Meßspannung einen rein elektronischen Schalter zu verwenden,
der es erlaubt, mit beliebigen elektrischen Meßinstrumenten zusammen elektrische
Meß- und Schaltaufgaben zu lösen, und der folgende Bedingungen erfüllt:
1. Der Meßwert darf durch den oder die angeschlossenen Schalter nicht verfälscht
werden.
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2. Der Einschaltpunkt muß zwischen 0 und 100% vom Meßwert eingestellt
werden können.
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3. Der Ausschaltpunkt muß ebenfalls zwischen 0
und 100%
vom Meßwert eingestellt werden können.
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4. Einschalt- und Ausschaltpunkt sollen leicht verändert werden können,
ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch
gelöst, daß ein an sich bekannter Verstärker oder Kippverstärker an den Kollektor
eines Vorverstärkertransistors angeschlossen ist, dessen - durch eine Vorspannung
bis zum Schwellwert des Verstärkers oder Kippverstärkers erregter - Basis
die zu messende Spannung zugeführt wird und an dessen Emitter eine an einem ohmschen
Spannungsteiler gewonnene Spannung gelegt wird, die von gleicher Größe ist wie die
beim gewünschten Schaltpunkt herrschende Meßspannung.
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Ein bekannter elektronischer Schalter, der bei einem bestimmten Spannungswert
anspricht, ist z. B. der Schmitt-Trigger. Dieser hat aber den Nachteil, daß man
die Schaltpunkte nicht beliebig einstellen kann. Ferner findet - insbesondere
bei Sättigung der Basis des Eingangstransistors, die dann stattfindet, wenn die
Eingangsspannung weit über die eingestellte Schwellspannung hinaus ansteigt
- eine unzulässig hohe Belastung der Meßspannungsquelle statt, die zur Verfälschung
des Meßwertes führt.
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Weiter sind Anordnungen bekanntgeworden, bei denen Schmitt-Trigger
oder auch einfach Transistoren mit ihrer Basis an die Schleifer von Spannungsteilern
gelegt werden, die ihrerseits an der Spannung liegen, aus der das Schaltsignal
gewonnen werden soll. Wegen des großen Querstroms der Spannungsteiler eignen sich
solche Anordnungen nur zur überwachung bzw. Signalgabe von leistungsstarken Strom-
oder Spannungsquellen.
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Bekannt ist auch eine Anordnung, die vorsieht, einen bekannten Trigger
mit einem bekannten Kornpensationsverstärker zu kombinieren derart, daß eine Ausgangsklemme
des Kompensationsverstärkers an die Basis des Eingangstransistors gelegt wird und
die andere an einen Spannungsteiler, der so eingestellt ist, daß beim Kompensationsstroin
Null der Trigger gerade kippt. Bei dieser Anordnung ist die Variation des Schaltpunktes
bzw. die Variation getrennter Einschalt- und Ausschaltpunkte nicht möglich. Darüber
hinaus ist eine solche Anordnung sehr aufwendig und teuer.
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In der Figur ist eine Schaltung der Anordnung gemäß der Erfindung
gezeigt. An die Klemmen a und b
wird die Meßspannung angeschlossen.
Dies kann z. B. der Nullpunkt und der Schleifer eines Widerstandsferngebers sein;
in Schaltungen mit eingeprägtem Strom sind es die zwei Enden eines von diesem durchgeflossenen
Shuntwiderstandes; bei Wechselstrom- oder Wechselspannungsmessungen werden
beispielsweise
die Gleichstromanschlüsse des Meßgleichrichters an dieser Stelle angeschlossen und
die in eine geeignete Größe transformierte Wechselspannung oder die an einem Shunt
abfallende Spannung an die Wechselstromanschlüsse des Meßgleichrichters.
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Die Meßspannung gelangt über den hochohmigen (-lO5Ohm) Widerstandlr
an die Basis des in Emitterschaltung betriebenen pnp-Transistors lp. Der Emitter
des Transistorslp ist über den Ruhekontakt des Wechselschaltersld" des Relaisld
an das Einstellpotentiometer 6r angeschlossen. über die Widerstände4r,
2r, 5r und den Kompensations-Heißleiter3r wird eine negative Spannung in
den Eingangskreis des Schalters gebracht, die so groß ist, daß bei Stellung
0 des Einstellpotentiometers 6 r und Meßspannung
0 der Transistor 1 p im Kollektorkreis gerade so viel Strom führt,
daß durch den Spannungsabfall über 9r über die (Kopplungs-) Zenerdiodeln der Transistor
2p des Triggers2p ... 3p
nicht mehr angesteuert wird und dadurch das
im Kollektorkreis des Leistungstransistors 4p liegende Relais 1 d anzieht.
Bestimmt man das Teilerverhältnis zwischen 8r und 6r/7r so, daß über 6r bzw. 7r
ebensoviel Spannung abfällt, wie die maximale Meßspannung beträgt, so kann man durch
Verstellen der Abgriffe an den Potentiometern 6r bzw. 7r jeden beliebigen Punkt
für Anzug und Abfall des Relais 1 d
zwischen Null und dem maximalen
Meßwert einstellen. Der Maximalwert der Meßspannung mag etwa 2 V bis 12 V betragen.
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An Hand der Figur soll jetzt noch ein Beispiel eines Schaltspieles
erläutert werden: Angenommen, 6r sei in Mittelstellung, 7r in Stellung 25% (bezogen
auf den plusseitigen Anschluß) eingestellt.
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Die maximale Meßspannung möge 6 V betragen, so daß
- nach dem oben Gesagten - auch die Spannung über 6 r bzw.
7 r 6 V beträgt. Gegenüber dem plusseitigen Anschluß liegt also am
Schleifer von 6r eine Spannung von -3 V, von 7r eine Spannung von
- 1,5 V.
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Steigt die Meßspannung von Null aus langsam an, so ist die Spannung
an der Basis von lp zunächst noch positiv gegen den Emitter. lp ist völlig gesperrt.
Im Widerstand 9 r fließt nur der Basisstrom für den Transistor
2p, der jetzt leitend ist. Die am kollektorseitigen Ende von 12r liegende
Spannung ist jetzt so klein, daß der Transistor 4p, der über die Diode 2 n an den
Kollektor von 2 p angeschlossen ist, gesperrt bleibt. Relais 1 d ist
dann abgefallen, und der Emitter von lp liegt am Schleifer von 6r.
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Steigt nun die Meßspannung weiter an und erreicht eine Größe von
3 V, so wird in Verbindung mit der über 2r14r13r abfallenden negativen Zusatzspannung
der Punkt a gegenüber dem auf -- 3 V liegenden Emitter so groß, daß über
lr ein Basisstrom nach lp fließt, der einen Kollektorstrom und damit einen Spannungsabfall
über 9r zur Folge hat, der von solcher Größe ist, daß die Durchbruchspannung von
ln unterschritten wird. Der bisher leitende Transistor 2p in der Triggerschaltung
wird jetzt nichtleitend und der bisher nichtleitende Transistor 3p leitend.
Die Spannung am Kollektor von 2p bzw. an der Diode 2n wird jetzt größer als
die Durchbruchspannung von 2n. Der Transistor 4p wird geöffnet und Relais
1 d zieht. Über den Kontakt 1 di erfolgt der gewünschte Schalt- oder
Steuerbefehl. Der Wechselkontakt 1 d., von 1 d schlägt um,
und der Emitter von lp ist jetzt mit dem Schleifer von 7r verbunden. Da dort nur
eine Spannung von - 1,5 V herrscht, ist der Punkt a nunmehr um
1,5 V, zuzüglich dem Spannungsabfall von 2r13r14r, negativer als der Emitter
von lp und dieser entsprechend weit ausgesteuert. Transistor 2p kann erst
wieder Strom führen, nachdem die Meßspannung unter 1,5 V absinkt. Die Vorgänge
verlaufen dann in umgekehrter Reihenfolge, wie oben beschrieben. Bei Weglassung
des Kontaktes 1 d. und des Widerstandes 7r und fester Verbindung zwischen
Emitter von lp und Schleifer von 6r erhält man einen einseitigen Grenzkontakt.
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Die Schaltung nach der Figur hat den Vorzug, daß beim Anschluß mehrerer
Schalter an einen Meßkreis die Widerstandskette 2 r13 r14 r15 r, die der
Kompensation des Temperaturganges der Eingangstransistoren lp dient, nur einmal
vorhanden zu sein braucht. Alle Widerstände 1 r liegen dann am Punkt a, die
Spannung U2 ist den Schaltern gemeinsam. Natürlich nimmt man als Eingangstransistoren
lp solche gleichen Typs, unter Umständen sucht man Exemplare mit besonders wenig
voneinander abweichenden Kennlinien aus einer größeren Anzahl heraus.
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Ferner ist eine Temperaturkompensation verschiedener Meßkreise mit
beliebig vielen Schaltern über eine gemeinsame Widerstandskette 2r13r14r15r möglich,
wenn die Meßspannungen plusseitig gemeinsam an Punkt b gelegt werden.
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Es ist selbstverständlich, daß bei einer solchen gemeinsamen Kompensation
des Temperaturganges der Transistoren die Schalter und die Widerstandskette 2r13r14r15r
räumlich eng benachbart sitzen müssen, damit die Temperatur an allen beteiligten
Bauteilen annähernd gleich ist.