DE1275119B - Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Stroms oder einer Spannung vorgegebener Groesse - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03k

Deutsche KL: 21 al-36/18

Nummer: 1 275 119

Aktenzeichen: P 12 75 119.8-31 (A 53982)

Anmeldetag: 2. November 1966

Auslegetag: 14. August 1968

Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Stromes oder einer Spannung vorgegebener Größe mit wenigstens einem Verstärkerelement, welches mit einer Speisung verbunden und mittels einer aus dem zu messenden Strom oder der zu messenden Spannung abgeleiteten, an den Eingang angelegten Spannung vorgespannt ist.

Schaltungsanordnungen mit dieser Eigenschaft sind an sich bekannt. Sie bestehen z. B. aus einer Transistorschaltung mit zwei oder mehreren Transistoren. Diese bekannten Schaltungen besitzen den Nachteil, daß sie bei einem Defekt, z. B. bei einem Kurzschluß zwischen zwei Elektroden eines Transistors oder bei einem Leiterbruch, ein Ausgangssignal abgeben können und damit ein falsches Steuersignal erzeugen.

Bei vielen Anwendungen der Steuertechnik, insbesondere im Eisenbahnsignalwesen, ist es absolut notwendig, daß Steuersignale nur dann erzeugt werden, wenn tatsächlich die erforderlichen Vorbedin- ao gungen herrschen, und daß auch bei defekter Schaltanordnung nie falsche Steuersignale abgegeben werden können.

Die erfindungsgemäße Schaltanordnung bezweckt ein solches Sicherheitsschaltgerät, in welchem das Ausgangssignal nur abgegeben wird, wenn die vorgegebene Bedingung mit Sicherheit erfüllt ist. In allen anderen Fällen, insbesondere auch im Fall eines Defekts in der Erkennungsschaltung (z.B. Leiterbruch, Kurzschlüsse in den Transistoren usw.) ist das Ausgangssignal Null.

Die erfindungsgemäße Schaltung zum Erkennen eines Stroms oder einer Spannung vorgegebener Größe enthält wenigstens ein Verstärkerelement, welches mit einer Speisung verbunden und mittels einer aus dem zu messenden Strom oder der zu messenden Spannung abgeleiteten Spannung vorgespannt ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorspannung den Arbeitspunkt des Verstärkerelements oder der Verstärkerelemente in dem Gebiet der proportionalen Verstärkung festlegt, wenn der zu messende Strom oder die zu messende Spannung sich zwischen zwei vorgegebenen Grenzwerten befindet, während für die außerhalb dieser Grenzwerte liegenden Werte des Stroms oder der Spannung das Ver-Stärkerelement entweder gesperrt oder gesättigt ist, daß eine Schwingung in dem Steuerkreis des Verstärkerelements oder der Verstärkerelemente erzeugt wird, und daß das Ausgangssignal der Schaltung durch diese in dem Verstärkerelement oder den Ver-Stärkerelementen verstärkte Schwingung gebildet wird, wobei der Verstärkungsfaktor der Verstärker-Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Stroms oder einer Spannung vorgegebener Größe

Anmelder:

Ateliers des Constructions Electriques de

Charleroi (ACEC), Brüssel

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz, Dr. rer. nat. G. Hauser

und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,

8000 München 60, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:

Georges Dutilloeil, Mont-sur-Marchienne;

Joseph Claes, Montignies sur Sambre (Belgien)

Beanspruchte Priorität:

Belgien vom 3. November 1965 (671716)

elemente in bezug auf die Empfindlichkeitsschwelle eines mit diesen verbundenen Ausgangsverstärkers so gewählt ist, daß bei einem Kurzschluß zwischen dem Steuerkreis und dem Ausgang, an welchem die verstärkte Schwingung auftreten soll, der Pegel des Ausgangssignals niedriger als diese Empfindlichkeitsschwelle des Ausgangsverstärkers ist.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Schaltung eines erfindungsgemäßen Spannungsdiskriminators.

F i g. 2 ist eine einen Gleichstromdiskriminator bildende Ausführungsabwandlung der Schaltung der

F i g. 3 ist die Schaltung eines Spannungskomparators.

F i g. 4 ist eine der Schaltung der F i g. 3 ähnliche Schaltung.

F i g. 5 ist eine die Schaltung der F i g. 1 benutzende logische Ausschließungsschaltung.

F i g. 1 zeigt die Schaltung eines erfindungsgemäßen Spannungsdiskriminators. Dieser enthält einen Transistor 1, welcher mittels einer an eine mit der Basis des Transistors 1 verbundenen Eingangsklemme 2 angelegten Spannung vorgespannt ist. Die

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an die Klemme 2 angelegte Spannung ist auf das Massepotential bezogen.

Der Transistor 1 wird durch zwei mit Masse verbundene Spannungsquellen 3 und 4 gespeist. Das Potential der Spannungsquelle 3 bestimmt den Grenzwert des Wertes der an die Klemme 2 angelegten Spannung, für welchen der Transistor gesperrt ist. In gewissen Anwendungsfällen kann dieses Potential veränderlich sein. Der andere Grenzwert der an die Klemme 2 angelegten Spannung wird durch die inneren Kenngrößen des Transistors 1 bestimmt. Es ist der Wert der Spannung, für welche der Transistor 1 gesättigt ist.

Zur Feststellung der Lage des Arbeitspunkts des Transistors 1 wird eine Schwingung in dem Steuerkreis des Transistors 1 erzeugt. Im vorliegenden Fall wird diese Schwingung in der Sekundärwicklung eines Eingangstransformators 5 induziert, welcher in dem Stromkreis angeordnet ist, welcher die Basis des Transistors 1 über einen Widerstand 6 und die Vor- so Spannungsquellen 4 und 3 mit dem Emitter des Transistors 1 verbindet.

Das Ausgangssignal wird durch die in dem Transistor 1 verstärkte Schwingung gebildet. Diese erscheint an dem Kollektor des Transistors 1, welcher mit der positiven Klemme der Spannungsquelle 4 über einen Widerstand? verbunden ist. Das Ausgangssignal ist null, wenn der Transistor 1 gesperrt ist und wenn er gesättigt ist. Es wird einer Ausgangsklemme 9 z. B. über einen Kondensator 8 zugeführt. Die Klemme 9 kann mit dem Eingang 10 eines Ausgangsverstärkers oder mit einem Ausgangsverstärker und -gleichrichter verbunden sein, wenn man ein Gleichstrom- oder Gleichspannungssignal zu erhalten wünscht. Der Verstärkungsfaktor des Transistors 1 ist in bezug auf die Empfindlichkeitsschwelle des Ausgangsverstärkers so gewählt, daß bei einem Kurz-* schluß zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors 1 der Pegel des Signals an der Klemme 9 einen Spannungsteiler verbunden, welcher durch zwei Widerstände 18 und 19 gebildet wird, welche das Potential der Basiselektrode des Transistors 12 festlegen. Aus Symmetriegründen sind vorzugsweise die Widerstände 16 und 18 bzw. 17 und 19 einander gleich.

Die Kollektoren der Transistoren 11 und 12 werden durch das Potential der an die Klemme 13 angelegten zu vergleichenden Spannung vorgespannt.

Der mittlere Arbeitspunkt der Schaltung wird durch die mittlere Spannung der an die Klemme 13 und 14 angelegten Spannungen und durch die Spannung der Spannungsquelle 15 bestimmt. Er verschiebt sich offenbar in Funktion des Mittelwertes zwischen den an die Klemmen 13 und 14 angelegten Spannungen. Er bleibt jedoch in dem Gebiet der proportionalen Verstärkung in einem sehr großen Änderungsbereich der an die Klemmen 13 und 14 angelegten Spannungen, vorausgesetzt, daß diese Spannungen

so praktisch einander gleich sind. Bereits für einen geringen Unterschied zwischen diesen beiden Spannungen wird der durch die niedrigere Spannung vorgespannte Transistor gesperrt. Hierdurch werden zwei sehr nahe beieinanderliegende Grenzwerte bestimmt, welche sogar entsprechend den Änderungen der Bezugsspannung veränderlich sein können. Der Komparator ist daher auch für Wechselspannungen benutzbar, wenn die Frequenz der Wechselspannung genügend niedrig ist.

Um die verschiedenen Zustände der Schaltung zu erkennen, wird eine Schwingung mit einer Frequenz, welche viel höher als die der an die Klemmen 13 und 14 angelegten Spannungen ist, in dem Stromkreis erzeugt, welcher die Emitter mit den Basiselektroden der Transistoren verbindet. Diese Schwingung wird in zwei Sekundärwicklungen eines Eingangstransformators 20 erzeugt, welche zwischen die Widerstände 17 und 19 geschaltet sind. Der Mittelpunkt zwischen diesen beiden Wicklungen ist einerseits mit der Span-

niedriger als die Empfindlichkeitsschwelle des mit 40 nungsquelle 15 und andererseits über einen gemein-

dieser durch die Klemme 10 verbundenen Ausgangsverstärkers ist.

Jeder Fehler dieser Schaltung, z.B. eine Unterbrechung irgendeines Drahtes oder ein Kurzschluß in dem Transistor 1, hat das Verschwinden der Schwingung an der Klemme 9 zur Folge. Die Schaltung ist also eine Sicherheitsschaltung in dem oben definierten Sinn.

Die Schaltung der Fig. 2 ist eine Ausführungsabwandlung der Schaltung gemäß F i g. 1 für den Fall, daß der Diskriminator zum Erkennen eines Gleichstroms bestimmt ist, dessen Wert zwischen zwei Grenzwerten liegt. Der Stromgenerator ist mit den Eingangsquellen 2 und 2' verbunden.

samen Widerstand 21 mit den Emittern der Transistoren 11 und 12 verbunden. Die durch den Eingangstransformator 20 eingeführte Schwingung wird durch die Transistoren 11 und 12 verstärkt, wenn diese nicht gesperrt sind. Die beiden Transistoren arbeiten dann im Gegentakt und speisen einen mit den Kollektoren verbundenen Ausgangskreis. Der Ausgangskreis wird durch zwei Primärwicklungen eines Ausgangstransformators 22 gebildet. Der Mittelpunkt dieser Wicklungen ist mit der Klemme 13 verbunden, was gestattet, die Kollektoren in Funktion des Wertes der zu vergleichenden Spannungen vorzuspannen. Wenn einer der Transistoren 11 und 12 gesperrt ist, muß die durch den anderen Transistor

Fig. 3 zeigt die Schaltung eines Spannungskompa- 55 verstärkte Schwingung notwendigerweise durch den rators. Dieser Komparator enthält zwei Transistoren gemeinsamen Widerstand 21 fließen, wo sie gedämpft

daß

11 und 12, deren jeder durch eine aus der zu vergleichenden Spannungen abgeleiteten Spannung vorgespannt ist, von denen die eine, z. B. die Bezugsspannung, an eine Eingangsklemme 13 und die andere, z. B. die Meßspannung, an eine Eingangsklemme 14 angelegt ist. Die Eingangsklemme 13 ist mit der negativen Klemme einer Speisespannungsklemme 15 über einen Spannungsteiler verbunden, welcher durch zwei Widerstände 16 und 17 gebildet wird und das Potential der Basiselektrode des Transistors 11 festlegt. Die Eingangsklemme 14 ist mit der negativen Klemme der Spannungsquelle 15 über wird, so daß das den Ausgangstransformator speisende Ausgangssignal auf einen äußerst kleinen Wert unterhalb der Empfindlichkeitsschwelle eines mit der Sekundärwicklung des Transformators 22 verbundenen Ausgangsverstärkers fällt. Wenn sich dagegen der Arbeitspunkt eines jeden der beiden Transistoren 11 und 12 in dem Gebiet der proportionalen Verstärkung befindet, fließt die verstärkte Schwingung nicht in dem Widerstand 21.

Das Ausgangssignal in dem Transformator 22 entspricht den Sicherheitsbedingungen. Es ist null, wenn ein beliebiger Fehler der Schaltung auftritt, wie

Unterbrechung eines Drahtes, Gleichgewichtsstörung der Widerstände 18, 19, 16, 17 oder Kurzschluß in einem der Transistoren.

F i g. 4 ist eine der Schaltung der F i g. 3 ähnliche Schaltung. Zwei Transistoren 23 und 24, welche im Gegentakt arbeiten können, sind miteinander durch ihre Emitter über zwei geringe Widerstände 25 und die Sekundärwicklung eines Eingangstransformators 26 verbunden. Die Kollektoren der beiden Transistoren 23 und 24 sind miteinander über die Primärwicklungen von Ausgangstransformatoren 27 und 28 verbunden. Der Mittelpunkt zwischen den Primärwicklungen der beiden Transformatoren 27 und 28 ist mit einer Spannungsquelle 29 verbunden. Die Basiselektroden der beiden Transformatoren 23 und 24 werden durch zwei zu vergleichende Spannungen vorgespannt, welche an die beiden Klemmen 31 und 32 über einen Spannungsteiler, welcher durch die Widerstände 33 und 34 gebildet wird und mit der Klemme 31 verbunden ist, und einen Spannungsteiler, welcher durch die Widerstände 35 und 36 gebildet wird und mit der Klemme 32 verbunden ist, angelegt werden. Die Widerstände 34 und 36 sind miteinander verbunden und an Masse gelegt.

Wenn die beiden an die Klemmen 31 und 32 angelegten Spannungen gleich sind, verstärken die beiden Transistoren die durch den Transformator 26 eingeführte Schwingung. Wenn bei einem bestimmten Unterschied zwischen diesen beiden Spannungen einer der Transistoren gesperrt wird, überträgt ein einziger der beiden Transformatoren 27 oder 28 die verstärkte Schwingung, so daß eine mit den Transformatoren 27 und 28 verbundene Sicherheitsschaltung UND 37 kein Signal liefert. Die Schaltung ist also eine Sicherheitsschaltung. Selbst wenn der gemeinsame Widerstand 30 kurzgeschlossen wird, wird das Ausgangssignal der Vorrichtung 37 null, was bei der Schaltung gemäß F i g. 3 nicht der Fall war.

Eine originelle und vorteilhafte Anwendung ist in F i g. 5 dargestellt. Diese Figur zeigt eine Schaltung einer die Schaltung gemäß F i g. 1 benutzenden logischen Ausschließungsschaltung. Sie ermöglicht die Kontrolle einer logischen Schaltung, in welcher von einer gewissen Zahl von Veränderlichen eine und nur eine den Wert 1 annehmen kann, während alle anderen den Wert 0 annehmen. Die Werte 0 oder 1 der verschiedenen logischen Veränderlichen werden durch den leitenden oder nichtleitenden Zustand einer beliebigen Zahl von Transistoren 38, 39 dargestellt, wobei der Emitter eines jeden Transistors mit dem Körper verbunden ist, während der Kollektor mit einer Spannungsquelle 40 über Widerstände 41, 42 verbunden ist. Die Kollektoren aller Transistoren 38, 39 sind mit der Klemme 2 der Schaltung gemäß F i g. 1 je über eine Diode 43, 44 und einen Widerstand 45, 46 verbunden. Aus Symmetriegründen sind vorzugsweise die Werte der Widerstände 41 und 42 einander gleich, und die Werte der Widerstände 45 und 46 sind ebenfalls einander gleich. Wenn alle Transistoren 38, 39 leitend sind, nähert sich die Spannung an der Klemme 2 dem Körperpotential, bei welchem der Transistor 1 gesättigt ist. Wenn ein einziger der Transistoren 38, 39 nichtleitend ist, wird die Spannung an der Klemme 2 kleiner als das Körperpotential, so daß die Dioden 43, 44 der anderen Transistoren sperren. Die durch die Spannungsquelle 3 festgelegte Spannung des Emitters wird etwas negativer als die in diesem Fall an der Klemme 2 erscheinende Spannung gewählt, so daß der Arbeitspunkt des Transistors 1 sich in dem Gebiet der proportionalen Verstärkung befindet. Wenn wenigstens zwei Transistoren 38, 39 nichtleitend sind, fällt die Spannung an der Klemme 2 wenigstens auf die Hälfte der Spannung, welche sich ausbildet, wenn ein einziger der Transistoren 38, 39 nichtleitend ist. In diesem Fall wird der Transistor 1 gesperrt. Die Schaltung gemäß F i g. 5 gestattet also, mit Sicherheit festzustellen, ob in der Gesamtheit der durch den leitenden oder nichtleitenden Zustand der Transistoren 38, 39 bestimmten logischen Veränderlichen tasächlich eine und nur eine Veränderliche vorhanden ist, welche den Wert 1 annimmt.

Die erfindungsgemäßen Schaltungen sind in Steuerschaltungen benutzbar, insbesondere in Sicherheitssteuerschaltungen. Sie ermöglichen, zu kontrollieren, ob eine Meßgröße zwischen zwei vorgegebenen Grenzen liegt, welche fest sein können, wobei jedoch auch eine Grenze oder beide Grenzen in Funktion einer Bezugsspannung veränderlich sein können.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Stroms oder einer Spannung vorgegebener Größe mit wenigstens einem Verstärkerelement, welches mit einer Speisung verbunden und mittels einer aus dem zu messenden Strom oder der zu messenden Spannung abgeleiteten, an den Eingang angelegten Spannung vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung den Arbeitspunkt des Verstärkerelements oder Verstärkerelemente (1, 11, 12; 23, 24) in dem Gebiet der proportionalen Verstärkung festlegt, wenn der zu messende Strom oder die zu messende Spannung zwischen zwei vorgegebenen Grenzen liegen, während für außerhalb dieser Grenzen liegende Werte des Stroms oder der Spannung das Verstärkerelement entweder gesperrt oder gesättigt ist, daß eine Schwingung in dem Steuerkreis (5, 20, 26) des Verstärkerelements erzeugt wird, und daß das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung durch diese in dem Verstärkerelement verstärkte Schwingung gebildet wird, wobei der Verstärkungsfaktor des Verstärkungselements gegenüber der Empfindlichkeitsschwelle eines mit diesem verbundenen Ausgangsverstärkers (10, 22, 37) so gewählt ist, daß bei einem Kurzschluß zwischen dem Steuerkreis und dem Ausgang des Verstärkerelements der Pegel des Ausgangssignals niedriger als die Empfindlichkeitsschwelle des Ausgangsverstärkers liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges Verstärkerelement (1) vorgesehen ist und daß eine der Grenzen des Strom- oder Spannungswertes durch die Bedingungen dargestellt wird, welche die Sperrung dieses Verstärkerelements bewirken, während die andere Grenze des Strom- oder Spannungswertes durch die Bedingungen dargestellt wird, welche die Sättigung des Verstärkerelements (1) bewirken.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Verstärkerelemente (11,12; 23, 24) vorgesehen sind, welche im Gegentakt arbeiten können, wobei einer der Grenzwerte durch die Bedingungen bestimmt

wird, welche die Sperrung des einen Verstärkerelements bewirken, während der andere Grenzwert durch die Bedingungen bestimmt wird, welche die Sperrung des anderen Verstärkerelements bewirken, wobei in dem Fall der Blockierung des einen oder des anderen Verstärkerelements die an dem Ausgang verstärkte Schwingung einen gemeinsamen Widerstand (21, 30) durchfließt, welcher von ihr nicht durchflossen wird, wenn sich der Arbeitspunkt eines jeden der beiden Verstärkerelemente in dem Gebiet der proportionalen Verstärkung befindet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Verstärkerelemente (23,24) vorgesehen sind, welche im Gegentakt arbeiten können, wobei einer der Grenzwerte durch die Bedingungen bestimmt wird, welche die Sperrung eines der Verstärkerelemente bewirken, während der andere Grenzwert durch die Bedingungen bestimmt wird, welche die Sperrung des anderen Verstärkerelements bewirken, wobei zwei Ausgangstransformatoren (27, 28) vorgesehen sind, von denen einer im Fall der Sperrung eines Verstärkerelements nicht mit dem Ausgangsstrom gespeist wird, wobei die Ausgänge dieser beiden Ausgangstransformatoren mit einer Sicherheitsschaltung UND (37) verbunden sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerelemente Transistoren sind, deren Steuerkreis zwischen die Basis und den Emitter geschaltet ist, während der Kollektor die Ausgangselektrode bildet.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (2) an eine beliebige Zahl von Leitern angeschlossen ist, und zwar jedesmal über einen Widerstand (45,46) und eine Diode (43,44), wobei diese Leiter nach Belieben an zwei verschiedene Potentiale (40 oder Ende) angeschlossen werden können, welche die beiden möglichen Werte von logischen Veränderlichen darstellen, wobei die Durchlaßrichtung der Dioden und die Werte der Widerstände so gewählt sind, daß die Eingangsklemme auf ein Potential gebracht wird, welches den Arbeitspunkt des Verstärkerelements in dem Gebiet der proportionalen Verstärkung festlegt, wenn eine und nur eine der logischen Veränderlichen einen bestimmten Wert annimmt, während in allen anderen Fällen der Eingang auf ein Potential gebracht wird, welches das Verstärkerelement sättigt oder sperrt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1095 881,1144766.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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