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Elektronisches Frequenzrelais Bei der Frequenzüberwachung von Netzen
sowie bei der Frequenzauswahl in Fernsteueranlagen wird meist von einem frequenzempfindlichen
Schaltglied, einem sogenannten Frequenzrelais Gebrauch gemacht. Die bisherigen Ausführungsformen
dieser Frequenzrelais bestanden in sogenannten mechanischen Zungenfrequenzrelais
oder elektromechanischen Induktionsmeßwerken, sogenannten Ferrarisrelais mit abgestimmten
Resonanzkreisen. Nachteilig bei diesen bekannten elektromechanischen Frequenzrelais
ist ihre verhältnismäßig geringe Ansprechgeschwindigkeit sowie die verschleißbehafteten
und nicht wartungsfreien Bauteile. Auch gestaltet sich der Abgleich bzw. das beliebig
veränderbare Einstellen der Ansprechgrenzen schwierig, wenn nicht gar unmöglich.
Es müssen z. B. bei einem Ferrarisrelais schon bei mäßigen Anforderungen an dessen
Selektivität mehrere Resonanzkreise voneinander abhängig verstellt werden.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein elektronisches Frequenzrelais
zu schaffen, welches sich gegenüber den bisherigen Frequenzrelais dadurch auszeichnet,
daß es eine große Ansprechempfindlichkeit besitzt, nicht verschleißbehaftet ist
und demzufolge keinerlei Wartung bedarf. Darüber hinaus können auch in weitaus einfacherer
Weise bei ihm die Ansprechgrenzen eingestellt und justiert werden. Das elektronische
Frequenzrelais nach vorliegender Erfindung ist gekennzeichnet durch ein Koinzidenz-Gatter,
dessen erster Eingang von aus den Halbwellen einer Wechselspannung mittels einer
Impulsformerstufe gewonnenen rechteckförrnigen Impulsen, welche die Länge einer
Halbwelle aufweisen, beaufschlagt ist, welche ihrerseits mit ihrer Vorderflanke
eine Bezugsimpulse konstanter Dauer liefernde monostabile Kippstufe anstoßen, deren
Ausgang über eine Umkehrstufe mit dem zweiten Eingang des Koinzidenz-Gatters verbunden
ist.
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Im folgenden soll die Erfindung samt ihren weiteren Merkmalen und
Ausgestaltungen an Hand der Zeichnungen veranschaulicht werden. Da die Erfindung
elektronische, logische Bausteingruppen verwendet, ist es zweckmäßig, zum besseren
Verständnis zunächst auf die prinzipielle Wirkungsweise der einzelnen logischen
Bausteine einzugehen.
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Die Ausgänge dieser Bausteine sind grundsätzlich nur zweier Werte
fähig, nämlich eines Nullsignals, welches bei dem dargestellten System dem Erd-
oder Massepotential entsprechen soll, und einem L-Signal, welches ein gegenüber
Masse negatives Potential aufweist. Die Umkehr- oder Negationsstufe N zeigt an ihrem
Ausgang nur dann ein L-Signal, solange an ihrem Eingang ein 0-Signal ansteht; das
mit U bezeichnete Und-Gatter liefert nur dann ein L-Signal, solange an seinen sämtlichen
Eingängen gleichzeitig L-Signale anstehen. Eine bistabile Kippstufe - in der Zeichnung
mit B bezeichnet - besitzt zwei komplementäre bzw. antivalente Ausgänge, d. h.,
wenn der eine Ausgang ein L -Signal führt, ist an dem anderen Ausgang ein 0-Signal,
und umgekehrt. Wenn an den einen Ausgang zugeordneten Eingang der bistabilen Kippstufe
ein L-Signal gelegt wird, so erscheint an dem ihm zugeordneten Ausgang ebenfalls
ein L-Signal, welches auch nach Verschwinden des Eingangssignals so lange bestehenbleibt,
bis auf den anderen Eingang ein L-Signal gegeben wird. Es ist auch möglich, die
bistabile Kippstufe mit Impulsflanken in die eine oder andere Lage zu kippen. In
der Regel wird die bistabile Kippstufe so ausgelegt bzw. die Impulsansteuerung so
getroffen, daß nur eine Impulsflanke bestimmter Richtung in der Lage ist, die Stufe
umzukippen, z. B. entweder nur die ansteigenden oder nur die abfallenden Impulsflanken.
So kippen sämtliche in den Zeichnungen dargestellten bistabilen Kippstufen jeweils
nur dann, wenn an ihren entsprechenden Eingängen ein Signalwechsel von 0 auf L-Signal
stattfindet. Eine monostabile Kippstufe, die in der Zeichnung mit M bezeichnet ist,
liefert nur auf eine Eingangssignaländerung von 0 auf L-Signal hin ein L-Signal,
das für eine in der Regel durch innere Zeitkonstantenbeschaltung wählbar festgelegte
Zeitdauer anhält. Die monostabile Kippstufe erzeugt daher stets einen Impuls konstanter
Zeitdauer.
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Die auf diese Weise in ihrer Funktion gekennzeichneten Bausteine sind
handelsüblich erhältliche Elemente, so daß auf ihre innere Schaltung nicht näher
eingegangen zu werden braucht. Eine Ausnahme kann hier die monostabile Kippstufe
bilden, welche eine für die Zwecke der Erfindung vorteilhafte
Abwandlung
erhalten kann, worauf jedoch erst später noch näher eingegangen wird.
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In F i g. 1 ist ein mit 1 bezeichneter Transformator primärseitig
an die Klemmen R und S eines Drehstromnetzes angeschlossen. Der Sekundärwicklung
des Transformators 1 liegt eine aus zwei antiparallelen Dioden bestehende Begrenzerschaltung
parallel, wodurch in an sich bekannter Weise aus der sinusförmigen Sekundärspannung
des Transformators 1 trapezförmige Impulsspannungen gleicher Frequenz gebildet werden.
Eine als Schwellwertglied wirkende Negationsstufe 2 verwandelt diese trapezförmigen
Impulsspannungen in rechteckförmige Impulszüge, wobei an ihrem Ausgang a jeweils
für die Dauer einer positiven Netzspannungshalbwelle ein konstantes L-Signal entsteht.
Der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung a, der der Netzspannung sowie einiger
weiterer hier interessierender Spannungen ist in dem neben dem mit I bezeichneten
rechten Teil der F i g. 1 unter Verwendung desselben Abszissenmaßstabes dargestellt.
Der Teil I soll zunächst erläutert werden.
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Die Ausgangsspannung a der Stufe 2 wird dem Eingang einer monostabilen
Kippstufe 3 sowie dem linken Eingang eines Und-Gatters 6 zugeführt. Wie vorstehend
erwähnt, erzeugt die monostabile Kippstufe auf eine negative Impulsflanke ihrer
Eingangsspannung hin einen für die Dauer t, anhaltenden Impuls, der im folgenden
als Bezugsimpuls bezeichnet wird. Wie aus der Diagrammskizze ersichtlich ist, wiederholt
sich zu Beginn einer jeden Periode mit der Periodendauer T des Drehstromnetzes die
Bildung dieses Bezugsimpulses. Eine der monostabilen Kippstufe 3 nachgeschaltete
Negationsstufe 4 sowie ein auf diese folgender Differenzkondensator 5 bewirken an
dem zweiten (rechten) Eingang des Und-Gatters 6 jeweils bei Ablauf der Bezugszeit
t, das Auftreten kurzzeitiger Impulse, deren absteigende Impulsflanken jedoch nur
dann zur Wirkung auf die bistabile Kippstufe 7 gelangen können, wenn gleichzeitig
mit ihnen .ein von der Spannung a herrührendes L-Signal an dem ersten (linken) Eingang
des Und-Gatters 6 ansteht. Dies kann aber nur dann der Fall sein, wenn die Bezugszeit
t, kleiner ist, als eine halbe Periodendauer der Spannung URS. Die bisher beschriebene
Anordnung trifft also eine Entscheidung darüber, ob die Netzfrequenz unterhalb oder
oberhalb einer durch die Eigenzeit der monostabilen Kippstufe 3 bestimmten Frequenz
liegt. Dem in den Diagrammskizzen dargestellten Fall ist zugrunde gelegt, daß die
Halbperiodendauer T/2 der Frequenz der Netzspannung URS größer ist als die Impulsdauer
am Ausgang der monostabilen Kippstufe 3. Die an dem rechten Eingang des Und-Gatters
6 eintreffenden Kurzzeitimpulse vermögen also auf den Eingang El der bistabilen
Kippstufe 7 zu gelangen und bringen diese in eine derartige Lage, daß an dem Ausgang
A1 ein L-Signal, am Ausgang A2ein 0-Signal, entsteht. Dieses L-Signal am Ausgang
A1 hält bis zum Eintreffen der nächsten negativen Impulsflanke der Spannung a am
zweiten (Lösch-)Eingang E, der bistabilen Kippstufe 7 an, wobei die bistabile Kippstufe
in ihre Ruhelage zurückkippt, bei der an ihrem Ausgang A2 wieder L-Signal und an
ihrem Ausgang A1 wieder 0-Signal erscheint, welches so lange bestehenbleibt, bis
der nächste von der monostabilen Kippstufe -3 verursachte Ansteuerimpuls über das
Und-Gatter 6 auf ihren Eingang E1 gelangt. Um das bei Unterfrequenz an dem Ausgang
A1 pulsweise auftretende L-Signal in ein Dauer-L-Signal umzuwandeln, ist eine zweite
monostabile Kippstufe 9 vorgesehen, die über einen Differenzierkondensator 10 jeweils
dann angestoßen wird, wenn an dem Ausgang A2 der bistabilen Kippstufe 7 ein Wechsel
von 0- auf L-Signal eintritt. Wenn die Eigenzeit der monostabilen Kippstufe 9 so
bemessen ist, daß sie größer als die Bezugszeit t, ist, dann wird die bei Unterfrequenz
an dem Ausgang AI der bistabilen Kippstufe 7 auftretende Impulspause durch das Ausgangssignal
der monostabilen Kippstufe 9 überbrückt, so daß durch Mischung der beiden Ausgangssignale
im Punkt 11 an der Klemme 12 das Dauersignal SI entsteht. Der Mischpunkt 11 kann
zur an sich bekannten rückwirkungsfreien Mischung von mehreren Signalen als Oder-Gatter
ausgeführt sein.
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Ist dagegen die Bezugszeit t, größer als eine Halbperiodendauer der
Netzspannung URS, so erscheint am Ausgang des Und-Gatters 6 0-Signal, und die bistabile
Kippstufe verharrt in der Lage, in der an ihrem Ausgang A1 ein 0-Signal und an ihrem
Ausgang A2 ein L-Signal ansteht. Da deshalb auch kein Signalwechsel am AusgangA2
erfolgt, wird die monostabile Kippstufe 9 nicht angestoßen, weshalb die Klemme 12
für diesen Betriebsfall ständig 0-Signal aufweist. Der Verlauf der Spannung
Sf in Abhängigkeit von der Frequenz f der Spannung USR ist in einer der Klemme
12 zugeordneten Skizze angedeutet. Man sieht daraus, daß die bisher beschriebene
Anordnung bei einer scharf definierten Frequenz fI, welche durch die Bezugszeit
t, festgelegt ist, anspricht. Sie kann daher als ein auf unterhalb der Frequenzgrenze
f, ansprechendes Frequenzrelais Verwendung finden.
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In dem mit 1I bezeichneten Teil der F i g. 1 ist mit der sich bis
zu der Klemme 13 erstreckenden Anordnung im Prinzip ein gleiches Frequenzrelais
dargestellt, wie in dem mit I bezeichneten Teil, weshalb das Ausgangssignal S'11
an der Klemme 13 grundsätzlich den gleichen Verlauf aufweist, wie das an der Klemme
12 entstehende Signal SI. Durch eine zwischen den Klemmen 13 und 14 angeordnete
Negationsstufe 15 wird ein dem Signal Sn inverses Signal SII erhalten. Verbindet
man die Klemmen 14 und 12 mit den beiden Eingängen eines Und-Gatters 16, und wählt
man die Bezugszeiten der Kippstufen 3 und 17 so, daß tII größer ist als tI, so erscheint
an der Klemme 18 nur innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches fb ein Ausgangssignal.
Die gesamte in der F i g. 1 dargestellte Anordnung wirkt daher wie ein hochselektives
Frequenzrelais mit Bandfilterwirkung, wie es z. B. in Fernsteueranlagen vorteilhaft
Verwendung finden kann. In F i g. 2 ist ein diesbezügliches Anwendungsbeispiel angedeutet.
Es soll hier die Aufgabe gelöst werden, von einer Sendestation 19 Schaltbefehle
auf eine Empfangsstation 20 über die Drehstromleitungen R und S selektiv in der
Weise zu übertragen, daß bei Befehlsgabe durch den Schalter 21 dieser Befehl auf
die Leitung 23 übertragen wird und bei Befehlsgabe durch den Schalter 22 in der
Leitung 24 auf der Empfangsseite ein Signal erscheint. Zu diesem Zweck sind auf
der Empfängerstation zwei Frequenzrelais entsprechend der Anordnung nach F i g.
1 an die Leitungen R und S angeschlossen. Diese beiden Frequenzrelais weisen unterschiedliche
Ansprechfrequenzbänder fb2 und- fvi auf, denen auf der Sendestation
Signalgeber
in Form von Wechselspannungsgeneratoren 25 und 26 zugeordnet sind, deren Frequenzen
sich in dem entsprechenden Bereich bewegen. Durch Schließen des Kontakts 21 gelangt
ein von dem Signalgenerator 25 herrührendes Wechselspannungssignal auf die Drehstromleitung,
welches lediglich dasjenige Frequenzrelais ansprechen läßt, das auf das Frequenzband
fbi abgestimmt ist, während bei Betätigung des Schalters 22 das Frequenzrelais mit
dem entsprechenden Frequenzband fb2 zur Wirkung gelangt. Die dargestellte Anordnung
kann noch beliebig um weitere Frequenzrelais und zugeordnete Wechselstromgeneratoren
erweitert werden, insbesondere hat man es durch entsprechende Einstellung der Bezugszeiten
der beiden monostabilen Kippstufen jedes Frequenzrelais beliebig in der Hand, sowohl
Lage als auch Breite des Frequenzbereiches festzulegen. Zur Aussiebung der Frequenz
des Drehstromnetzes können in an sich bekannter Weise entsprechend abgestimmte Resonanzkreise
vorgesehen werden, z. B., wie in F i g. 1 mit 30 bezeichnet, auf der Sekundärseite
des Eingangstransformators 1.
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Zum Zweck der Frequenzüberwachung von Drehstromnetzen ist es oft erwünscht,
ein Frequenzrelais zu verwenden, das zwar bei Erreichen einer bestimmten unteren
Frequenz anspricht, doch erst nach Erreichen einer höheren Frequenz wieder abfällt.
Dies bezeichnet man als sogenanntes Halteverhältnis bzw. Hystereseverhalten. Als
weitere Ausgestaltung der Erfindung ist ein derartiges Relais mit Halteverhältnis
auf elektronischer Basis in F i g. 3 dargestellt. Für Elemente gleicher Wirkungsweise
wie bei der Anordnung nach F i g. 1 sind dieselben Bezugszeichen beibehalten worden.
Ohne die mit 36 bezeichnete Verbindungsleitung des Ausgangs der monostabilen Kippstufe
9 zum Mischpunkt 34 arbeitet die dargestellte Anordnung genauso wie die in dem rechten,
mit I bezeichneten Teil der F i g. 1 dargestellte Schaltung. Bei dem in den Diagrammskizzen
der F i g. 3 zugrundegelegten Betriebsfall ist angenommen, daß die Netzfrequenz
größer ist als die durch die Bezugszeit t1 festgelegte Frequenz, so daß der Ausgang
A1 der bistabilen Kippstufe 7 dauernd ein 0-Signal aufweist. Es bleibt daher auch
die monostabile Kippstufe 9 in Ruhe, und an der Klemme 35 tritt ebenfalls 0-Signal
auf. Sinkt die Netzfrequenz, wird also die Dauer der Netzspannungshalbperioden größer
als die Dauer t1 des Bezugsimpulses, dann wird analog der im Zusammenhang mit F
i g. 1 beschriebenen Weise die monostabile Kippstufe 9 zu Beginn einer jeden Periode
angestoßen und liefert ein für die Dauer t3 anhaltendes L-Signal zum Mischpunkt
11.
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Da die monostabile Kippstufe 9 vorwiegend die Aufgabe hat, die bei
Auftreten von Unterfrequenz sich am Ausgang Al der bistabilen Kippstufe 7 einstellenden
Impulsserien zu einem Dauersignal zu ergänzen, braucht deren Kippzeit an sich nur
so groß wie die Dauer t1 des Bezugsimpulses gewählt zu werden. Zur Erzielung des
obenerwähnten Halteverhältnisses wird sie jedoch größer gewählt. Ohne den Signalflußweg
36 würde das elektronische Frequenzrelais bei Erreichen der durch die Bezugszeit
t1 festgelegten Netzfrequenz wieder abfallen, d. h., an der Klemme 35 würde dann
ein 0-Signal anstehen. Durch den Signalflußweg 36 wird jedoch in diesem Betriebsfall
das am linken Eingang des Und-Gatters 6 anstehende, eine Öffnung desselben vorbereitende
Signal jeweils für den die Zeit t1 übersteigenden Betrag der Kippzeit t3 verlängert.
Es können daher nach wie vor auch bei weiterem Ansteigen der Netzfrequenz ein Dauersignal
an der Klemme 35 bewirkende Stellimpulse über das Und-Gatter 6 auf die bistabile
Kippstufe 7 gelangen. Übersteigt nun die Netzfrequenz die durch die Zeitdauer t3
der monostabilen Kippstufe 9 festgelegte Frequenz, so gelangen keine weiteren Stellimpulse
mehr über das Und-Gatter 6, d. h., am Ausgang 35 entsteht also ein 0-Signal. Während
die Kippzeit t1 der monostabilen Kippstufe die untere Ansprechgrenze des dargestellten
Frequenzrelais festlegt, bestimmt die Kippzeit t3 der monostabilen Kippstufe 9 die
obere Abfallgrenze.
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Es kann sich aus Dimensionierungsgründen für zweckmäßig erweisen,
die obere Abfallgrenze des Frequenzrelais nicht durch die monostabile Kippstufe
9, sondern durch eine weitere monostabile Kippstufe 32 festzulegen. Für diesen Fall
wird die Schaltbrücke 37 in die gestrichelte Stellung gebracht, wodurch die sonst
entbehrlichen Elemente 31, 32 und 33 eingesetzt werden. Am Ausgang der Negationsstufe
31 erscheint das zu der Signalfolge a inverse Impulssignal b, welches über die monostabile
Kippstufe 32 mit der Eigenzeit t2 periodische konstante Impulse der Zeitdauer t2
auslöst, welche nach Ansprechen der elektronischen Frequenzüberwachungseinrichtung
über das Und-Gatter 33 auf das Und-Gatter 6 einwirken und auf diese Weise den Impuls
der Impulsfolge a um die Dauer t2 verlängern. Nach Ansprechen des Frequenzrelais
ist daher ein Abfallen erst dann möglich, wenn die Halbwellendauer der Netzspannung
kleiner geworden ist als der Wert ti+t2.
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In F i g. 4 sind diese Verhältnisse an Hand eines Diagramms dargestellt.
Erniedrigt sich die Netzfrequenz von hohen Frequenzwerten kommend, so entsteht bei
dem Frequenzwert f", ein Ausgangssignal S
an der Klemme 35. Dieses Signal
kann im Netzbetrieb benutzt werden, um frequenzerhöhende Steuer-und Regeleinflüsse
zum Einsatz zu bringen. Bei Wiederansteigen der Netzfrequenz wird bei dem höheren
Frequenzwert fab sich ein 0-Signal wieder einstellen. Die Differenz zwischen den
beiden genannten Frequenzwerten wird von der wählbaren Kippzeit t2 der monostabilen
Kippstufe 32 bzw. bei der vollausgezogenen Stellung der Schaltbrücke 37 von dem
Unterschied zwischen den Kippzeiten t1 und t3 bestimmt. Durch Verändern dieser Zeiten
durch entsprechende Änderung der Zeitkonstantenbeschaltung bei den Kippstufen läßt
sich jedes beliebige Halteverhältnis festlegen.
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Von besonderer Bedeutung für die Frequenzgenauigkeit des erfindungsgemäßen
Frequenzrelais ist die Konstanz der eingestellten Kippzeiten der verwendeten monostabilen
Kippstufen, insbesondere die der die Bezugszeit bestimmenden monostabilen Kippstufe
3 bzw. 17. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist hierfür eine Schaltung
vorgesehen, wie sie in F i g. 5 dargestellt ist. Sie besteht aus zwei kapazitiv
angekoppelten Transistorstufen 38 und 39, wobei die Kollektorspannung des Eingangstransistors
und die die Basis des Ausgangstransistors beaufschlagende Spannung durch je eine
Zenerdiode 41 bzw. 44 begrenzt sind. Wie an sich bekannt, bestimmt nach Anlegen
eines L-Signals am Eingang E die Umladezeit des Kondensators 40 den Kippvorgang,
d. h. die
Zeit, während welcher nach Signalgabe am Eingang E am
Ausgang A ein L-Signal ansteht. Durch die Zenerdiode 41 wird gewährleistet, daß
sich der Kondensator unabhängig von den Schwankungen der Versorgungsspannung U stets
von einem bestimmten, durch die Zenerdiode 41 festgelegten Potential umlädt, so
daß eine weitgehende Konstanz der Kippzeit gewährleistet ist. Diese läßt sich z.
B. durch Zuschalten eines weiteren, vorzugsweise veränderbaren, Kondensators 42
variieren oder aber auch durch Verändern des Widerstandes 43.