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Verfahren und Anordnung zur Erzeugung von Steuersignalen im Nulldurchgang
des positiven oder negativen Astes einer Wechselspannung bzw. eines Wechselstromes
In der allgemeinen Elektronentechnik besteht vielfach die Aufgabe der Erzeugung
eines Steuersignales im Nulldurchgang des positiven oder negativen Astes einer Wechselspannung
bzw. eines Wechselstromes. Dies kann beispielsweise der Fall beim Ein-bzw. Ausschalten
einer Induktivität sein.
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Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf ein Verfahren zur Erzeugung
von Steuersignalen, z. B. in Form von Rechteckimpulsen, im Nulldurchgang des positiven
(oder negativen) Astes einer Wechselspannung bzw. eines Wechselstromes. Die Erfindung
besteht darin, daß aus jeder Halbwelle ein Signal abgeleitet wird; wobei mindestens
das aus der positiven (oder negativen) Halbwelle abgeleitete Signal im positiven
(oder negativen) Nulldurchgang dieser Halbwelle beginnt, daß eines der aus den negativen
(oder positiven) Halbwellen abgeleiteten Signale gespeichert wird und daß bei Auftreten
des gespeicherten Signales und dem Beginn des folgenden aus der positiven (oder
negativen) Halbwelle abgeleiteten Signals Steuersignale abgegeben werden. Eine Anordnung
zur Durchführung dieses Verfahrens besteht zweckmäßig aus einem elektronischen Speicher,
der das aus der negativen (oder positiven) Halbwelle abgeleitete Signal aufnimmt,
und einer logischen Schaltung, die ein Steuersignal abgibt, wenn an ihr das Signal
des Speichers und das aus der positiven (oder negativen) Halbwelle abgeleitete Signal
auftritt. Einer weiteren zweckmäßigen Ausbildung entsprechend ist zur zeitlich beliebigen
Ein- bzw. Ausschaltung der Anordnung dem Speicher eine logische Schaltung vorgeschaltet,
die von dem Signal der negativen (oder positiven) Halbwelle und einem Ein- bzw.
Ausschaltbefehl angesteuert ist. Zur Ein- bzw. Ausschaltung der Anordnung ist einer
weiteren Ausgestaltung entsprechend ein einziger Speicher vorgesehen, dessen beide
Eingänge und Ausgänge mit je einer logischen Schaltung verbunden sind, wobei den
vorgeschalteten logischen Schaltungen nach Bedarf je ein Einschalt- und Ausschaltbefehl
und außerdem gemeinsam das aus der negativen Halbwelle abgeleitete Signal zugeführt
wird und den nachgeschalteten logischen Schaltungen gemeinsam das aus der positiven
Halbwelle abgeleitete Signal zugeführt ist. Einer weiteren Ausgestaltung entsprechend
werden einer vorgeschalteten logischen Schaltung die aus der negativen Halbwelle
abgeleiteten Signale und der anderen vorgeschalteten logischen Schaltung die aus
der positiven Halbwelle abgeleiteten Signale zugeführt, während der einen nachgeschalteten
logischen Schaltung die aus der positiven Halbwelle abgeleiteten Signale und der
anderen logischen Schaltung die aus der negativen Halbwelle abgeleiteten Signale
zugeführt werden. Einer weiteren Ausbildung entsprechend sind an Stelle des einen
einzigen Speichers zwei taktbare Speicher vorgesehen.
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Die Erfindung wird mit weiteren vorteilhaften Ausbildungen an Hand
von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Gleiche Elemente haben in den Figuren gleiche Bezugszeichen.
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Die Erfindung sei zunächst an Hand eines Diagramms nach der Fig.1
und der Grundschaltung nach der Fig. 2 erläutert. In der Fig. 1 ist mit U eine Wechselspannung
bzw. ein Wechselstrom bezeichnet. Wie die darunter dargestellten Kurvenzüge zeigen,
ist aus jeder Halbweile ein Signal e bzw. e' abgeleitet. Das aus der positiven Halbwelle
abgeleitete Signal e beginnt im positiven Nulldurchgang dieser Halbwelle (positiver
Anstieg). Die Signale e, e' treten in lückend'er Folge auf. Den Signalen ist jeweils
der Wert 0 und der Wert L zugeordnet. Die Erzeugung der Signale e, e' aus der Wechselspannung
bzw. dem Wechselstrom wird weiter unten beschrieben. Zur Erzeugung von Steuersignalen
jeweils im positiven Nulldurchgang ist eine Anordnung nach der Fig.2 vorgesehen.
Diese besteht aus einem elektronischen
Speicher 3l und einer logischen
Schaltung &3, die beispielsweise als Und-Stufe ausgebildet ist. Der Speicher
S1 wird durch das Signal e' der Fig. 1 angesteuert. Um den Speicher in eine Vorzugslage
(0) zu bringen, kann an den Eingang l ein Löschbefehl L kurzzeitig angelegt werden.
Am Ausgang B des Speichers S1 steht dann in der Ausgangsstellung der Anordnung der
Fig. 2 der Wert 0. $ hat dann den Wert L. Der Löschbefehl L verschwindet wieder
und wird für die Erzeugung des Steuersignals nicht mehr gebraucht. Tritt nun an
der Leitung 1 das Signal e'= Lauf, so wird dieser Wert vom Speicher S1 gespeichert
und tritt an dessen Ausgang B auf. wird 0. Das. Eingangssignal e' kann wieder verschwinden,
ohne daß dadurch der gespeicherte Wert L verlorengeht. Dies ist auch in der Fig.
1 im Abschnitt H durch den Kurvenzug B dargestellt. An einem Eingang der Und-Stufe
&3 steht damit der Wert L an. Der andere Eingang hat den Wert 0. Tritt nunmehr
das aus der positiven Halbwelle abgeleitete Signal e = L auf, so tritt damit
auch am Ausgang A der Und-Stufe &3 der Wert L auf, der das Steuersignal
darstellt. Wie der Fig.1, Abschnitt H, entnehmbar ist, tritt das Signal A = L jeweils
mit Beginn des Signals e auf. Die Erzeugung von A erfolgt nur im positiven Nulldurchgang.
Die periodische Erzeugung der Signale A = L erfolgt so lange, wie am Ausgang B des
Speichers S1 der 'Wert L ansteht. Wird beispielsweise auf den Speicher S1 ein Löschbefehl
Z = L gegeben, so wird damit der Ausgang W = L und der Ausgang B = 0. Der Speicher
Si ist damit gelöscht, und an B wird erst wieder der Wert L auftreten, wenn das
Signale' = L am Speicher ansteht. Werden die Signale e, e an den Leitungen
1, 2 der Anordnung nach der Fig. 2 vertauscht, so werden Steuersignale A im negativen
Nulldurchgang der Wechselspannung U erzeugt.
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In vielen Fällen besteht die Forderung, die Anordnung nach der Fig.
2 zu beliebigen Zeiten einzuschalten. Gemäß der Erfindung ist der Anordnung nach
der Fig. 2 eine logische Schaltung &1 vorgeschaltet, wie in der Fig. 3 angedeutet.
Diese Stufe &1 wird durch das Signal e' und einen Einschaltbefehl s = L angesteuert.
Wird der Einschaltbefehl s = L gegeben (z. B. eine Gleichspannung geeigneter
Größe), so wird dann ein an der Und-Stufe &1 auftretendes Signal e' = L
über deren Ausgänge auf den Speicher Si geschaltet und tritt an B auf. Tritt dann
das aus der positiven Halbwelle abgeleitete Signal e = L auf, so entsteht auch am
Ausgang der logischen Schaltung &3 das Signal A = L. Der Einschaltbefehl
s = L braucht nur so lange aufzutreten, bis das Signal e' durchgeschaltet
ist. Dann kann der Einschaltbefehl s = 0 werden. Dies hat keinen Einfluß auf die
Anordnung. In der Fig. 1 ist im Abschnitt G die Wirkung des Einschaltbefehls s demonstriert.
Der Einschaltbefehl s = L tritt hier auf, wenn bereits dasSignal e' ansteht.
Damit wird auch der Ausgang B = L, und bei Auftreten des Signals e wird
A = L. Im Abschnitt C der Fig. 1 tritt der Einschaltbefehl s = L mit dem
bereits Vorhandensein des Signals e auf. Der Wert B = L
tritt nunmehr verzögert
erst mit dem Erscheinen des nächsten Signals e' auf, worauf wiederum verzögert das
Steuersignal A =-L mit dem Auftreten des darauffolgenden Signals e erzeugt wird.
Wie ersichtlich, ,entsteht das Steuersignal A = L stets im positiven Nulldurchgang,
unabhängig davon, zu welchem Zeitpunkt der Einschaltbefehl s = Lauftritt.
Das in diesem Falle bereits an der Anordnung nach der Fig. 3 anliegende Signal e
= L hat keine Wirkung trotz des Vorhandenseins des Einschaltbefehls s = L, da am
Ausgang B des Speichers 3l wegen e' = 0 der Wert 0 liegt. Erst wenn das aus der
negativen Halbwelle abgeleitete Signal e' auftritt, entsteht am Ausgang B des Speichers
S1 der Wert L, und erst das darauffolgende aus der positivenHalbwelle abgeleitete
Signal e = L kommt zusammen mit dem Signal L des Ausgangs B an der logischen Schaltung
&3 als Steuersignal A = L zur Wirkung.
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Eine Erzeugung des Steuersignals im Nulldurchgang des negativen Anstieges
der Wechselspannung bzw. des Wechselstromes U ist bei dieser Anordnung unmöglich,
da stets eine Kombination des Schaltbefehls s mit dem Signal e erfolgt, das synchron
zur negativen Halbwelle ist. Während der negativen Halbwelle erfolgt somit eine
Voreinstellung der Anordnung. Speicher S1 nimmt den Wert L an, und dieser
Wert L
wird dann mit Auftreten des synchron zur positiven Halbwelle liegenden
Signals e = L an den AusgangA durchgeschaltet.
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Um beim Einschalten der Anordnung nur ein einziges Steuersignal
A = L zu erhalten, kann der Und-Stufe &3 ein weiterer Speicher S2 nachgeschaltet
werden, wie dies in der Fig. 4 angedeutet ist. Der an A anstehende Wert L wird dann
in diesen Speicher S2 übernommen und steht an F als Steuersignal L an. Der Wert
an F bleibt auch bestehen, wenn der Wert L an A danach verschwindet. Das an F anstehende
Steuersignal L kann durch einen auf den Speicher S2 gegebenen Löschbefehl
L = L gelöscht werden.
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Zur Ausschaltung der Anordnung nach der Fig. 3 oder 4 könnte eine
weitere Reihenschaltug einer Und-Stufe, eines Speichers und einer Und-Stufe vorgesehen
werden, wie sie in den Fig. 3, 4 mit &1, S1, &3 bezeichnet ist, wobei diese
zusätzliche Reihenschaltung in geeigneter Weise mit der anderen verknüpft ist. Durch
einen an dieser zusätzlichen Reihenschaltung wirkenden Ausschaltbefehl kann dann
die Anordnung zu jeder beliebigen Zeit ausgebildet und damit in ihre Ausgangsstellung
(A bzw. F = 0) gebracht werden. In der Fig. 5 ist eine besonders vorteilhafte Anordnung
dargestellt, die für die Ein- und Ausschaltung derAnordnung nur einen einzigen bereits
vorhandenen Speicher S1 benötigt. Die zusätzliche Reihenschaltung besteht aus einer
Und-Stufe &2, die durch das Signal e' und einen Ausschaltbefehl s' angesteuert
wird. Der Ausgang der Stufe geht auf den zweiten Eingang des Speichers S1. Dessen
antivalenter Ausgang U ist an eine Und-Stufe &4 geführt, die außerdem vom Signale
e angesteuert wird. Die Stufe &4 ist zusätzlich mit dem Eingang des Speichers
S2 verbunden.
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Die Ausschaltung geht in folgender Weise vor sich. Es wird der Ausschaltbefehl
s' = L gegeben. Tritt das Signal e' auf oder ist vorhanden, so wird über die Und-Stufe
&z der Ausgang B des Speichers 3l gelöscht. Der Ausgang B nimmt den Wert 0 an
und der Ausgang U den Wert L. Damit ist die Und-Stufe &4 über einen Eingang
vorbereitet. Tritt nun an dieser das Signal e = Lauf, so wird deren Ausgang
gleich L. Damit wird der Ausgang' des Speichers gleich L und der Ausgang F = 0.
In der Fig. 1 ist dies in den Abschnitten D, E für eine Ausschaltung bei Vorhandensein
des Signals e' (D) und e (E) im Moment des Auftretens des Ausschaltbefehls s' dargestellt.
Wie ersichtlich, erfolgt dieAusschaltung stets im positiven Nulldurchgang der Wechselspannung.
In
der Fig. 6 ist schließlich eine Anordnung dargestellt, bei der im positiven Nulldurchgang
ein Steuersignal L erzeugt wird, das im negativen Nulldurchgang gelöscht werden
kann. Zu diesem Zweck sind an die Und-Stufen &l, &4 über die Leitungen 1,
4 die aus der negativen Halbwelle abgeleiteten Signale e' angeschaltet und an die
Und-Stufen &2, &3 über die Leitungen 2, 3 die aus der positiven Halbwelle
abgeleiteten Signale e. Durch Vertauschen der Signale e, e' an denLeitungen 1, 2,
3, 4 kann auch einSteuersignal F = L im negativen Nulldurchgang erzeugt werden,
das im positiven Nulldurchgang gelöscht wird.
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Bei den Anordnungen nach den Fig. 2 bis 6 können an Stelle der lückenden
Signale e, e' auch antivalente Signale e, e verwendet werden, wie dies in der Fig.
5 durch die Klammerbezeichnungen angedeutet ist. Hat in diesem Fall z. B. das Signal
e den Wert L, so hat das Signal e den Wert 0.
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Bei der Verwendung antivalenter Signale e, e muß dafür gesorgt werden,
daß während des Polaritätswechsels der Signale e, e kurzzeitig nicht gleichzeitig
der Wert L auftritt, da dann beispielsweise bei der Anordnung nach der Fig. 5 eine
sofortige Durchschaltung des Signals e über die logische Schaltung &l, Speicher
S1, Eingangssignal e = L, logische Schaltung &3, Speicher S2, zum Ausgang F
erfolgt. Dies würde zur Folge haben, daß das Steuersignal F bereits im folgenden
Nulldurchgang erzeugt würde, was jedoch unerwünscht ist. Aus diesem Grunde sind
aus der Wechselspannung bzw. demWechselstrom abgeleitete Signale, die lückend auftreten
(e, e'), wesentlich vorteilhafter, da dann mit Sicherheit gewährleistet ist, daß
die Signale e, e' nie gleichzeitig den Wert L haben können.
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Für den Speicher S1 nach den Anordnungen gemäß den Fig.2 bis 6 können
auch taktbare Speicherelemente mit einem taktbaren Eingang verwendet werden, wie
sie in der Anordnung nach der Fig. 7 mit St, und St. bezeichnet sind. Die
statischen nicht taktbaren Speicherelemente S1 nach den Anordnungen der Fig. 2 bis
6 haben zwei Eingänge. Bei der Anordnung nach Fig. 7 werden Speicherelemente mit
je einem taktbaren Eingang verwendet. Die taktbaren Eingänge sind mit e' bezeichnet.
s bedeutet wieder die Einschaltung, und s' bedeutet wieder die Ausschaltung der
Anordnung. Ist s = L vorhanden, und es kommt e = L, dann wird das Signal
L über die Und-Stufe &1 an den Eingang des Speichers St, gegeben.
Kommt nunmehr das Taktsignal e', welches etwas nacheilend phasenverschoben zu e
ist, dann wird das von &1 anstehende Signal L vom Speicher Stl übernommen und
tritt an B auf. Die Signale e und e sind antivalent. Kommt nunmehr das Signal
e = L (e = 0), so tritt wegen e = l und B = L an A
das Signal
L auf. An die Und-Stufe & 3 ist ein statischer nicht taktbarer Speicher S2 angeschaltet,
an welchem das Ausgangssignal L der Und-Stufe &3 ansteht und phasengleich durchgeschaltet
wird, so daß es am Ausgang F dieses Speichers S2 ansteht. Bei der Ausschaltung der
Anordnung wird bei Auftreten eines Ausschaltbefehls s' = L und des Signals e = L
am Ausgang der Und-Stufe &2 der Wert L auftreten, der bei Auftreten des Taktsignals
e' in den Speicher St. übernommen wird und dort am Ausgang B' auftritt. Dieser Wert
steht dann an der Und-Stufe &4 an. Kommt das Signale = L, so wird der
Ausgang A'
der Und-Stufe &4 = L und der Ausgang F des nicht taktbaren
Speichers S2 = L und der Ausgang F = 0. Der bisherige Wert L am Ausgang F
dieses Speichers S2 ist gelöscht.
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Zur Erzeugung der Signale e, e' kann ein Transformator T in Mittelpunktschaltung
verwendet werden, wobei Zenerdioden Z l, Z2 benutzt sind, wie in der Fig. 8 dargestellt
ist. Die Zenerdioden wirken in der Sperrichtung begrenzend und in derDurchlaßrichtung
gleichrichtend. Werden die Ausgangsklemmen mit 0,
1, 2 bezeichnet, so ergibt
sich beispielsweise an den Klemmen 0, 1 das Signal e und an den Klemmen 0, 2 das
Signal e'. In der Fig. 9 sind die am Impulsformer nach der Fig. 8 auftretenden Spannungen
nochmals dargestellt. Die gestrichelte Linie deutet dabei die Signale e' an, und
die durrchgezogene Linie deutet die Signale e an. Mit U ist die Wechselspannung
angedeutet. Die ansteigende Flanke des Signals e liegt synchron zum positiven Nulldurchgang
der Wechselspannung.
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Infolge des zeitlich verzögerten Ansprechens der verwendeten Bauelemente
(z. B. Transistoren der Speicher) kann eine geringe Zeitverzögerung des Steuersignals
A bzw. F gegenüber der Steuerwechselspannung U entstehen, die die lückenden Signalfolgen
erzeugt. Da das Steuersignal A bzw. F synchron zur zu schaltenden Spannung oder
zum Strom sein soll, muß die Steuerwechselspannung dann mit bekannten Mitteln nach
Bedarf etwas phasenverschoben werden. In der Fig. 1 ist aus Gründen der übersichtlichkeit
bei der Darstellung des zeitlichen Ablaufs der Signale auf diese eventuell auftretende
Phasenverschiebung keine Rücksicht genommen.