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Schaltungsanordnung zum Auswerten von Wechselspannungen zur Gleisüberwachung
in Eisenbahnsicherungsanlagen Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zum Auswerten von Wechselspannungen zur Gleisüberwachung in Eisenbahnsicherungsanlagen
nach Größe, Frequenz und Phasenlage gegenüber einer Vergleichswechselspannung unter
Verwendung von magnetischen Speicherkernen.
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In Eisenbahnsicherungsanlagen werden zur Gleisüberwachung isolierte
Gleisabschnitte verwendet, deren Schienen an dem einen Ende z. B. mit einer Wechselspannungsquelle,
welche auch die Vergleichswechselspannung liefern kann, und an dem anderen Ende
mit einem Gleisrelais verbunden sind, das die Spannung zwischen den Schienen überwacht.
Das Gleisrelais ist bei freiem Gleis angezogen und fällt ab, wenn beim Besetzen
des Gleises die Schienen durch ein Fahrzeug kurzgeschlossen werden.
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Vielfach werden einander benachbarte Gleisabschnitte mit Wechselspannungen
entgegengesetzter Phasenlage gespeist. Für diese Gleisstromkreise werden phasenempfindliche
Gleisrelais, z. B. sogenannte Motorrelais, verwendet, welche die veränderliche Gleisspannung
nach Amplitude, Frequenz und Phasenlage mit einer konstanten Vergleichswechselspannung
vergleichen. Derartige Motorrelais haben jedoch nur einen Abfallfaktor, d. h. das
Verhältnis von Abfallstrom zu Ansprechstrom, welcher in der Größenordnung von 0,5
liegt anstatt bei dem gewünschten Wert 1. Außerdem benötigen die Motorrelais zum
Steuern einen unerwünscht hohen Leistungsbedarf.
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Andere durch die Gleisspannungen gesteuerte phasenempfindliche Relais
für die Gleisüberwachung erfordern für einen Abfallfaktor von nahezu 1 einen verhältnismäßig
hohen Fertigungsaufwand. Wenn Relais verwendet werden, die über Gleichrichter, Röhren
und/oder Transistoren gesteuert werden, besteht bisher die Gefahr einer gefährdenden
Fehlanzeige, wenn sich beispielsweise der Sperrwiderstand dieser Verstärkerelemente
zu kleineren Werten ändert. Bei Verwendung von Röhren ergeben sich weitere Nachteile
durch die begrenzte Lebensdauer, zusätzlichen Energiebedarf für deren Heizung sowie
durch die Erschütterungsempfindlichkeit der gesamten Anordnung.
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Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die im wesentlichen
aus zwei elektrisch gekoppelten Transfluxoren besteht. Diese Schaltungsanordnung
genügt nicht den gestellten Anforderungen bezüglich des Abfallfaktors.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten
Schaltungen zu beheben. Gleichzeitig soll die Schaltungsanordnung zum Auswerten
von Uleisspannungen folgende Bedingungen erfüllen: Der Abfallfaktor soll möglichst
dicht bei dem gewünschten Wert 1 liegen und sich bei Änderung der Phasenlage der
Gleisspannung nicht ändern; geringer Leistungsverbrauch; die Genauigkeit der Auswertung
soll möglichst unabhängig von Versorgungsspannungsschwankungen sein. Außerdem soll
der Phasenbereich, in dem die Schaltungsanordnung eine Freimeldung abgibt, entsprechend
den Betriebsverhältnissen wie Gleisabschnittslänge und Bettungseigenschaften einstellbar
sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung eine Schaltungsanordnung
mit folgenden Merkmalen geeignet: Eine erste Triggerschaltung, in der jede Halbwelle
einer Richtung der auszuwertenden Gleisspannung beim Überschreiten eines Grenzwertes
einen Ausgangsimpuls erzeugt, mit einer zweiten Triggerschaltung, in der jede Halbwelle
einer Richtung der Vergleichswechselspannung jeweils beim Über- bzw. Unterschreiten
von vorgegebenen Grenzwerten je einen Impuls auslöst, wobei jeweils der zeitliche
Abstand dieser beiden Impulse einer zulässigen Phasenverschiebung zwischen der Gleisspannung
und der Vergleichswechselspannung entspricht. Außerdem ist eine Impulstorschaltung
vorgesehen, welche die von der ersten Triggerschaltung erzeugten Ausgangsimpulse
nur dann an eine Gleisfreimeldeeinrichtung weitergibt, wenn jeder dieser Ausgangsimpulse
im Bereich der zulässigen Phasenverschiebung liegt.
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Die beiden Triggerschaltungen sollen vorzugsweise im wesentlichen
aus je einem Ringkern mit verschiedenen Magnetisierungswicklungen bestehen, wobei
die einzelnen Grenzwerte durch von der Vergleichswechselspannung über eine Gleichrichterschaltung
abgeleitete Gleichstromvormagnetisierungen der Ringkerne eingestellt sind.
Zum
Einstellen der für die Triggerschaltungen vorgesehenen Grenzwerte ist es nach einem
anderen Teilmerkmal der Erfindung vorteilhaft, in dem Stromkreis der an Wechselspannung
liegenden Magnetisierungswicklung mindestens einer der beiden Triggerschaltungen
Schaltmittel zum Einstellen der Amplitude und/oder der Phasenlage der Wechselspannung
anzuordnen.
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Als Impulstorschaltung ist gemäß eines weiteren Teilmerkmals eine
Schaltungsanordnung geeignet, die im wesentlichen aus einem Transfluxor besteht,
in dem der beim überschreiten des einen für die zweite Triggerschaltung vorgegebenen
Grenzwertes ausgelöste erste Impuls den Übertragungszustand und der beim Unterschreiten
des anderen Grenzwertes ausgelöste zweite Impuls den Blockierungszustand einstellt,
während jeder Ausgangsimpuls der ersten Triggerschaltung eine Treiberwicklung speist
und im Übertragungszustand einen Impuls für die Gleisfreimeldeeinrichtung auslöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend zusammen mit
weiteren Erfindungsmerkmalen an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Die Zeichnung zeigt eine Schaltungsanordnung zum Auswerten von Gleisspannungen
U1 nach Größe, Frequenz und Phasenlage gegenüber einer Vergleichswechselspannung
U2. Die Gleisspannung U1 liegt an einem Transformator Trl und die Vergleichswechselspannung
an einem Transformator Tr 2. An drei Sekundärwicklungen W21, W22 und W23
dieses Transformators stehen Wechselspannungen z. B. zum Speisen einer Gleichrichterschaltung
G 1 für Vormagnetisierungsströme und einer Gleichrichterschaltung G2 für die allgemeine
Gleichstromversorgung der gesamten Schaltungsanordnung zur Verfügung. Im wesentlichen
setzt sich die Schaltungsanordnung aus zwei Triggerschaltungen A und
B,
einer von diesen beiden Triggerschaltungen beaufschlagten Impulstorschaltung
C zusammen, die eine Gleisfreimeldeeinrichtung D steuert. Im folgenden werden diese
vier Bausteine und deren jeweilige Wirkungsweise beschrieben.
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Die Triggerschaltung A zum überwachen der Amplitude der Gleisspannung
U1 besteht aus einem Ringkern 1 mit nahezu rechteckförmiger Hystereseschleife, auf
dem verschiedene Magnetisierungswicklungen 11 bis 14 vorgesehen sind. Mit Hilfe
der Vormagnetisierungswicklung 12 erhält der Ringkern 1 eine Vormagnetisierungsdurchflutung
in Richtung einer Remanenzlage »1«. Die Sekundärwicklung W11 des Transformators
Trl speist über einen einstellbaren induktiven Widerstand L 1 die Wicklung 11. Diejenigen
Halbwellen der Gleisspannung U1, die mit Hilfe der Wicklung 11 eine der Vormagnetisierungsdurchflutung
entgegengesetzte Durchflutung erzeugen, steuern den Ringkern 1 erst beim überschreiten
eines Grenzwertes der Amplitude in eine andere Remanenzlage »0«. Der dabei in die
Basiswicklung 13 induzierte Spannungsimpuls löst einen Ausgangsimpuls aus, der über
den Transistor T 1 und die Rückkopplungswicklung 14 einen nachgeschalteten vormagnetisierten
Ringkern 2 steuert.
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Dieser Ringkern 2, auf dem die Wicklungen 21 bis 24 angeordnet sind,
dient zum überwachen der Vormagnetisierung von denjenigen Ringkernen, die bei fehlender
Vormagnetisierung falsche Impulse abgeben können. Dies trifft z. B. für den Ringkern
1 zu. Da bei fehlender Vormagnetisierungsdurchflutung ein falscher Grenzwert der
Amplitude der Gleisspannung vorgegeben wird, magnetisiert die Gleisspannung den
Ringkern 2 auch schon bei wesentlich kleinerer Amplitude ständig aus einer Remanenzlage
in die andere und zurück.
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Die Vormagnetisierungswicklung 21 des Ringkerns 2 liegt in Reihe mit
der Vormagnetisierungswicklung 12. Sie erzeugt bei normaler Höhe der Vergleichswechselspannung
U2 eine Vormagnetisierungsdurchflutung, die gerade zum Rückmagnetisieren in eine
Remanenzlage »1« aus der durch einen zugeführten Ausgangsimpuls mit Hilfe
der Wicklung 24 hergestellten anderen Remanenzlage »0« ausreicht. Beim Ummagnetisieren
des Ringkerns 2 aus der einen Remanenzlage »1« in die andere Remanenzlage »0« durch
einen Ausgangsimpuls der ersten Triggerschaltung A entsteht in der Basiswicklung
22 ein solcher Spannungsimpuls, daß über den Transistor T2 und die Rückkopplungswicklung
23 sowie die LeitungX1 ein Stromimpuls zum Steuern der Impulstorschaltung C fließt.
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Wenn die Vergleichswechselspannung U2 absinkt oder im Vormagnetisierungsstromkreis
der Wicklungen 12 und 21 ein Leitungsbruch auftritt, wird Ringkern 2 infolge der
dann nicht ausreichenden bzw. fehlenden Vormagnetisierungsdurchflutung nicht, wie
beschrieben, zurückmagnetisiert und gibt daher, trotz eventuell vorhandener Ausgangsimpulse
der ersten Triggerschaltung A, keine Stromimpulse über die Leitung X1 ab.
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Der Ausgangskreis des Transistors T1 mit den Wicklungen
14 und 24 ist über eine Widerstand-Kondensator-Schaltung R 2, C an
die vom Gleichrichter G2 abgegebene Gleichspannung gelegt. Der Widerstand R 2 und
der Kondensator C sind so bemessen, daß in dem Kondensator erst nach etwa einer
vollen Periode der Gleisspannung eine Energiemenge vorhanden ist, die zum Auslösen
des Ausgangsimpulses vorgegebener Stromstärke ausreicht. Die Stromstärke wird durch
den Widerstand R 1 begrenzt und muß ausreichen, den Ringkern 2 mit Hilfe der Wicklung
24 entgegen der ständig vorhandenen Vormagnetisierung umzumagnetisieren. Der Vorteil
dieser Widerstand-Kondensator-Schaltung ist, daß hierdurch nur Ausgangsimpulse mit
einer solchen Folgefrequenz, welche der Frequenz der Gleisspannung entspricht, den
Ringkern 2 vollständig ummagnetisieren können, so daß auf der Leitung X 1 die Stromimpulse
auftreten. Wenn dagegen der Transistor T1 infolge von Störspannungen zusätzlich
Ausgangsimpulse abgibt, erscheinen dadurch auf der Leitung X1 keine zusätzlichen
Stromimpulse, sondern auf jeden Fall weniger Impulse, als im ungestörten Fall durch
die Frequenz der Gleisspannung allein vorhanden sind, bzw. keine Stromimpulse mehr.
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Die zweite Triggerschaltung B besteht aus einem Ringkern 3 mit den
Magnetisierungswicklungen 31 bis 34 sowie zwei Transistoren T 3 und T4. Die
Spannung der Sekundärwicklung W22 des Transformators Tr2 liegt an der Wicklung 31
des Ringkerns 3. Mit Hilfe der Widerstände R 3 bzw. L 2 kann eine Amplituden- bzw.
Phaseneinstellung des durch die Wicklung 31 fließenden Stroms vorgenommen werden.
Durch die Vormagnetisierungswicklung 32, die in Reihe mit den Vormagnetisierungswicklungen
12 und 21 der Ringkerne 1 und 2 liegt, erhält der Ringkern 3 eine Vormagnetisierungsdurchflutung
in Richtung
einer Remanenzlage »1 «. Die mit der Magnetisierungswicklung
31 erzeugte Wechseldurchflutung ist so groß eingestellt, daß sie die Vormagnetisierungsdurchflutung
überwiegt. Bei jeder Halbwelle einer dementsprechenden Richtung der Vergleichswechselspannung
U2 wird der Ringkern 3 jeweils beim Über- bzw. Unterschreiten von vorgegebenen Grenzwerten
abwechselnd in die andere Remanenzlage »0« und zurück magnetisiert. Durch die beim
Ummagnetisieren in die Basiswicklungen 33 und 34 induzierten Spannungen werden die
beiden Transistoren T 3 und T 4 nacheinander kurzzeitig
leitend und geben über die Leitung X 2 bzw. X 3 je einen Impuls für
die Impulstorschaltung C ab. Der zeitliche Abstand dieser beiden Impulse soll einer
zulässigen Phasenverschiebung zwischen der Gleisspannung U1 und der Vergleichswechselspannung
U2 entsprechen.
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Die Impulstorschaltung C prüft, ob jeder von der ersten Triggerschaltung
A erzeugte Ausgangsimpuls, der vom Transistor T2 als Stromimpuls über die LeitungX1
ausgegeben wird, im Bereich dieser zulässigen Phasenverschiebung liegt. Die Impulstorschaltung
C besteht beispielsweise aus einem Transfluxor mit zwei großen und einem kleinen
Steuerloch, einer Einstellwicklung 41, einer Blockierwicklung 42, einer Basiswicklung
43 für einen Transistor T5 und einer Treiberwicklung 44. Jeweils der erste von der
Triggerschaltung B abgegebene Impuls stellt den Transfluxor 4 mit Hilfe der Einstellwicklung
41 ein. Wenn im Bereich der zulässigen Phasenverschiebung - dieser Bereich ist mit
den Widerständen L 1, L 2 und R 3 einstellbar - über die Leitung
X 1
ein Stromimpuls auf die Treiberwicklung 44 gelangt, entsteht in der Basiswicklung
43 eine Spannung, die im Transistor T5 einen Impuls auslöst. Wenn dagegen der von
der ersten Triggerschaltung A mittelbar ausgelöste Stromimpuls auf der Leitung X
1 während einer Periode der Gleisspannung U1 ausbleibt, weil z. B. die Amplitude
der Gleisspannung den Grenzwert unterschreitet, oder infolge von Störimpulsen vom
Transistor T 1 kein Ausgangsimpuls mit vorgegebener Stromstärke abgegeben wird bzw.
wenn ein Ausgangsimpuls und damit ein Stromimpuls auf der Leitung X1 abgegeben wird,
der jedoch nicht mehr in den Bereich der zulässigen Phasenverschiebung fällt, dann
wird der Transfluxor von dem über die Leitung X3 abgegebenen Impuls mit Hilfe der
Blockierwicklung 42 blockiert. Dabei gibt der Transistor T5 keinen Impuls an die
Gleisfreimeldeeinrichtung D ab. Wenn anschließend auf die Treiberwicklung 44 ein
Stromimpuls gelangt, ohne daß der Transfluxor vorher mit Hilfe der Einstellwicklung
41 eingestellt wurde, wird ebenfalls im Transistor T 5 kein Impuls ausgelöst.
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Da die vom Transistor T5 abgegebenen Impulse noch kein in der Sicherungstechnik
übliches Relais bis zum Anziehen erregen können, müssen die Impulse zunächst verstärkt
und erst dann einem Relais zugeführt werden. Dementsprechend ist die Gleisfreimeldeeinrichtung
D aufgebaut. Sie enthält einen vormagnetisierten Ringkern 5, auf dem verschiedene
Magnetisierungswicklungen 51 bis 55 angeordnet sind, und zwei gegeneinandergeschaltete
Transistoren T 6 und T 7 in Emitterschaltung. Von dem einen Transistor
T6 ist dessen Basiselektrode mit der Basiswicklung 53 und die Kollektorelektrode
über die Rückkopplungswicklung 54 mit einem Anschluß der in der Mitte angezapften
Primärwicklung W31 eines Transformators Tr3 verbunden. Von dem anderen Transistor
T7 ist die Basiselektrode mit der Basiswicklung 52 und die Kollektorelektrode mit
dem anderen Anschluß der Primärwicklung W31 verbunden. Für diesen Transistor ist
keine Rückkopplungswicklung vorgesehen; hierdurch wird vermieden, daß die Gleisfreimeldeeinrichtung
instabil ist und anfängt zu schwingen. An die Sekundärwicklung W32 ist über eine
Gleichrichterschaltung G3 ein Relais RL mit beliebigem Abfallfaktor angeschlossen.
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Mit Hilfe der durch die Magnetisierungswicklung 51 erzeugten Vormagnetisierungsdurchflutung
befindet sich der Ringkern 5 in einer Remanenzlage »1 «. Jeder Impuls, welcher die
Magnetisierungswicklung 55 beaufschlagt, erzeugt eine Gegendurchflutung, die ausreicht,
den Ringkern in die andere Remanenzlage »0« zu steuern. Die dabei in die Basiswicklung
53 induzierte Spannung bewirkt einen Stromfluß durch den Transistor T6, die
Rückkopplungswicklung 54 und die rechte Hälfte der Sekundärwicklung W 31. Die Rückkopplungswicklung
54 sorgt für eine vollständige Ummagnetisierung des Ringkerns 5 in die andere Remanenzlage
»0«, auch wenn der die Wicklung 55 beaufschlagende Impuls nur kurze Zeit einwirkt.
Wenn die Magnetisierungswicklung 55 nach Aufhören des Impulses vom Transistor T5
und anschließend die Rückkopplungswicklung 54 wieder stromlos sind, magnetisiert
die Vormagnetisierungswicklung 51 den Ringkern 5 wieder in die erste Remanenzlage
»1«. Die dabei in die Basiswicklung 52 induzierte Spannung bewirkt einen Strom durch
den zugehörigen Transistor T7 und die linke Hälfte der Primärwicklung W31. Die bei
den beiden Strömen in die Sekundärwicklung W32 induzierte Spannung wird gleichgerichtet
und speist das Relais RL. Wenn das Relais RL anzieht, wird dies als Gleisfreimeldung
gewertet.
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Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung hat einen Abfallfaktor
mit einem Wert, der nahezu 1 ist. Dies kommt daher, weil die erste Triggerschaltung
A keinen Ansprechbereich hat, sondern es gibt hierbei einen Grenzwert, bei dessen
Unterschreiten die Triggerschaltung keine Ausgangsimpulse abgibt und bei dessen
überschreiten Ausgangsimpulse abgegeben werden. Die Prüfung, wie groß die Amplitude
der Gleisspannung ist, wird in jeder Periode erneut vorgenommen. Auch bei einer
Änderung der Phasenlage der Gleisspannung U 1 ergibt sich keine Veränderung des
Abfallfaktors, weil die erste Triggerschaltung A unabhängig von der Phasenlage der
Gleisspannung U1 zur Vergleichswechselspannung U2 arbeitet.
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Gegenüber bekannten Einrichtungen ergibt sich außerdem der Vorteil,
daß die Genauigkeit der Auswertung weitgehend unabhängig ist von Schwankungen der
Vergleichswechselspannung, weil sich bei derartigen Spannungsschwankungen auch alle
anderen Spannungen gleichsinnig ändern. Außerdem ist der Phasenbereich, also der
Bereich der zulässigen Phasenverschiebung, bei welcher die Schaltungsanordnung bzw.
das Relais RL eine Freimeldung abgeben soll, auf einfache Weise einstellbar. Ein
weiterer Vorteil ist, daß die Schaltungsanordnung frequenzselektiv arbeitet und
bei mit Störimpulsen überlagerter Gleisspannung das Relais RL abfällt.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.
Beispielsweise ist es
möglich, die Impulstorschaltung C anstatt
mit einem Transfluxor auch mit einer Ringkernschaltung aufzubauen. Die Gleisfreimeldeeinrichtung
D kann einen anders aufgebauten Verstärker enthalten.