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Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung eines elektromechanischen
Pilotregelungssystems für Nachrichtenübertragungssysteme, die durch Vergleich einer
aus der Pilotspannung abgeleiteten Eingangsgleichspannung mit einer Normalgleichspannung
eine Differenzgleichspannung bildet, in Abhängigkeit von der Richtung der Pegelabweichung
ein Relais erregt und nach Überwindung einer Sperrspannung einen nachfolgenden Taktgeber
mit einem Umschaltekontakt des Relais zur Fortschaltung eines Schrittschaltwerkes
in der erforderlichen Regelungsrichtung einschaltet.
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Aus der deutschen Patentschrift 1191863 ist ein elektromechanisches
Pilotregelungssystem für Vielkanal-Weitverkehrsträgerfrequenzsysteme zur stufenweisen
Regelung bekannt, bei dem eine Steuerschaltung durch Vergleich der gleichgerichteten
Pilotspannung mit einer Normalgleichspannung eine Differenzgleichspannung bildet,
die bei Pegelabweichungen erst nach Überwindung einer angelegten Sperrspannung als
Ansprechschwelle einen Taktgeber in Betrieb setzt, der ein Schrittschaltwerk in
der erforderlichen Regelrichtung fortschaltet, das mechanisch mit einem Potentiometer
verbunden ist, dessen Lage indirekt die Stellung eines Stellgliedes im Regelkreis
bestimmt. Die Steuerschaltung besteht aus drei gleichspannungsverstärkenden Transistoren.
Zwischen dem Eingang des ersten Transistors und der gleichgerichteten Pilotspannung
ist als Normalspannungsquelle eine Zenerdiode geschaltet. Im Kollektorkreis des
zweiten Transistors befindet sich ein Relais, das bei positiven Abweichungen des
Pilotpegels stromlos ist und bei negativen Abweichungen anzieht und über einen Umschaltkontakt
am Ausgang des Taktgebers die Drehrichtung des Schrittschaltwerkes und damit die
Regelrichtung bestimmt. Die Basis des zweiten Transistors ist am Kollektor des ersten
Transistors angeschlossen und führt bei Überpegel des Piloten Strom; die Basis des
dritten Transistors ist am Emitter des ersten Transistors angeschlossen und führt
bei Unterpegel des Piloten Strom. Die Kollektoren des zweiten und dritten Transistors
sind über Entkopplungswiderstände zusammengeschaltet und erzeugen gemeinsam die
den nachfolgenden Taktgeber in Betrieb setzende Steuerspannung. In einem gewissen
Bereich um den Soll-Pilotpegel ziehen sowohl der zweite als auch der dritte Transistor
Strom, die Steuerspannung wird zu Null und der Taktgeber stillgesetzt. Dieser Bereich
kleiner Pegelabweichungen, in dem keine Pegelkorrektur stattfindet, ist für die
Stabilität des Pegelregelungssystems äußerst wichtig; die Grenzen dieses Bereiches,
d: h. der Schwellwert der Regelung, sind durch die beschriebene bekannte Schaltung
jedoch nicht eindeutig festlegbar.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerschaltung zum Einschalten
eines ein Schrittschaltwerk fortschaltenden Taktgebers in einem Pilotregelungssystem
zu schaffen, die die Nachteile bekannter Schaltungen vermeidet.
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Gemäß der Erfindung ist die Steuerschaltung der eingangs erwähnten
Art dadurch gekennzeichnet, daß das Relais im Kollektorkreis eines der beiden einen
Differenzverstärker bildenden Transistoren der Steuerschaltung liegt, dessen erster
Transistor durch die Eingangsgleichspannung und dessen zweiter Transistor durch
die Normalgleichspannung angesteuert ist, und daß die verstärkte Differenzgleichspannung
durch eine Umschalteeinrichtung vom Kollektor des jeweils stromführenden Transistors
des Differenzvetstärkers abgegriffen und einer die Sperrspannung erzeugenden Zenerdiode
zugeführt ist, deren anderer Anschluß über einen Arbeitswiderstand, an dem die Steuerspannung
abfällt, mit einer Batteriespannung verbunden ist. Dadurch wird mit geringem Aufwand
und ohne zusätzliche Temperaturkompensation ein äußerst genauer Vergleich des Pilotpegels
mit einem Sollwert und eine präzise Festlegung der Ansprechgrenzen der Regelung
erreicht.
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Zweckmäßigerweise liegen die Eingangsgleichspannutng und die Normalgleichspannung
je an einer Basis der Transistoren des Differenzverstärkers, deren gemeinsamer Emitterwiderstand
mit dem gemeinsamen Nullpotential der Eingangsgleichspannung, der Normalgleichspannung
und der Batteriespannung verbunden ist. Dadurch ist eine gute, gemeinsame Stromgegenkopplung
der beiden Zweige des Differenzverstärkers gegeben.
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Vorteilhafterweise sind -die Emitter der beiden Transistoren des Differenzverstärkers
über Einzelemitterwiderstände mit dem gemeinsamen Emitterwiderstand verbunden. Durch
die getrennt gegenkoppelnd wirkenden Einzelemitterwiderstände ist die Steilheit
di,ldU" des-Differenzverstärkers durch Gegenkopplung stabilisiert und läßt sich
definiert einstellen. Das durch diese Widerstände gebildete Netzwerk kann durch
ein elektrisch gleichwertiges Netzwerk ersetzt sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dem Differenzverstärker
ein Begrenzertransistor derart vorgeschaltet; daß eine aus der Pilotspannung abgeleitete
Gleichspannung dem Kollektor des Begrenzertränsistors zugeführt ist, dessen Basis
einerseits über eine Diode mit einer der der Emitter-Basis-Strecke des Begrenzertransistors
entgegengerichteten Durchlaßrichtung an die Normalspannung und andererseits über
einen Vorwiderstand an die Batteriespannung angeschlossen ist, und daß der Emitter
des Begrenzertransistors mit der Basis des ersten Transistors des Differenzverstärkers
verbunden ist. Dadurch wird auch bei Pilotspannungen, die wesentlich größer als
der Sollwert sind, eine Übersteuerung des Differenzverstärkers vermieden. Das ist
besonders dann wichtig, wenn zwecks anderweitiger Auswertung der Eingangsgleichspannung
als Regelgröße auf deren Linearität beispielsweise zu Meßzwecken oder zur Grenzwertsignalisierung
großer Wert gelegt wird. Zudem wird die Sicherheit der Arbeitsweise des Differenzverstärkers
erhöht.
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Zweckmäßigerweise ist der Emitter des Begrenzertransistors über einen
Ableitwiderstand mit dem Nullpotential verbunden, womit der Kollektorreststrom des
ersten Transistors abgeleitet und eine sichere Einprägung der Eingangsgleichspannung
gesichert ist.
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Vorteilhafterweise ist die Steuerschaltung derart aufgebaut, daß die
Umschalteeinrichtung aus einem zweiten Umschaltekontakt des Relais besteht und daß
die Kontaktzunge des zweiten Umschaltekontaktes mit der Zenerdiode, dessen Arbeitskontakt
mit dem Kollektor des ersten Transistors und dessen Ruhekontakt mit dem Kollektor
des zweiten Transistors verbunden ist. Damit ist in einfacher Weise mittels eines
zweiten Umschaltekontaktes des sowieso benötigten Relais die verstärkte Differenzgleichspannung
immer von der richtigen Seite des Differenzverstärkers abgenommen.
Ebenfalls
von Vorteil ist es; die Steuerschaltung so aufzubauen, daß die Umschalteeinrichtung
aus zwei entgegengeschalteten Dioden besteht, deren Verbindungspunkt mit der Zenerdiode
und deren andere Anschlüsse je mit einem Kollektor des ersten bzw. zweiten Transistors
verbunden sind. Damit wird die verstärkte Differenzgleichspannung ohne bewegte Teile
gewonnen.
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Vorteilhafterweise sind der erste Transistor und der zweite Transistor
miteinander wärmegekoppelt, womit die restliche Temperaturabhängigkeit der Differenzspannung
weiter wesentlich herabgesetzt wird.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt in F i g. 1 den Stromlauf einer Steuerschaltung 1 nach der Erfindung
sowie schematisch angedeutet einen Taktgeber 2 und ein Schrittsehaltwerk 3, F i
g. 2a ein Stromdiagramm der Steuerschaltung nach F i g. 1, F i g. 2b ein Spannungsdiagramm
der Steuerschaltung nach F i g. 1; F i g. 3 ein Diagramm der Abhängigkeit des Eingangsstromes
der Steuerschaltung nach F i g. 1 von der Eingangsgleichspannung, F i g. 4 den Stromlauf
der Steuerschaltung mit einer vorgeschalteten Begrenzertransistorstufe.
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In F i g. 1 ist die Steuerstufe 1 dargestellt sowie der Taktgeber
2 und das Schrittschaltwerk 3 angedeutet. Die Steuerschaltung 1 hat drei
Funktionen: Die erste Funktion der Steuerschaltung 1 besteht darin, die der Pilotspannung
proportionale Eingangsgleichspannung Ux als Regelgröße mit einer Normalgleichspannung
UN als Sollwert zu vergleichen und die Regelabweichung zu verstärken. Diese
Aufgabe erfüllen ein erster und zweiter Transistor T1 und T2 des pnp-Typs, die zu
einem Differenzverstärker zusammengeschaltet sind. Der Emitter des ersten Transistors
T1 ist über einen ersten Einzelemitterwiderstand 5 und der Emitter des zweiten Transistors
T2 über einen zweiten Einzelemitterwiderstand 6 mit einem Anschluß des gemeinsamen
Emitterwiderstandes 4 verbunden, dessen anderer Anschluß mit dem Pluspol -f-
UB der Batteriespannung UB verbunden ist. An der Basis des ersten
Transistors T1 liegt der Minuspol der Eingangsgleichspannung U", an der Basis des
zweiten Transistors T2 liegt der Minuspol der Normalgleichspannung UN; die
beiden Pluspole dieser Spannungsquellen sind mit dem Pluspol +Ua der Batteriespannung
verbunden. Je nach der Richtung der Pegelabweichung stellt das Potential V, am Kollektor
des ersten Transistors T1 oder das Potential V@ am Kollektor des zweiten Transistors
T2 den Absolutwert der verstärkten Differenzgleichspannung dar.
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Die zweite Funktion der Steuerschaltung 1 besteht darin, die Richtung
der Pegelabweichung mittels eines Relais U zu ermitteln, dessen erster Umschaltekontakt
111 im Taktgeber 2 die Richtung bestimmt, in der das Schrittschaltwerk 3
zur stufenweisen Verminderung der Pegelabweichung fortgeschaltet wird. Über die
Wicklung des Relais U ist der Kollektor des ersten Transistors T1 mit dem Minuspol
- UB der Batteriespannung verbunden. Über den Widerstand 7, dessen Wert der
gleiche ist wie der der Wicklung des Relais U, ist der Kollektor des zweiten Transistors
T2 ebenfalls mit dem Minuspol der Batteriespannung verbunden. Bei Überpegel des
Piloten ist das Relais U angezogen, bei Unterpegel abgefallen. Die dritte Funktion
und eigentliche Aufgabe der Steuerschaltung 1 besteht darin; eine Steuerspannung
Us an den Taktgeber 2 zu liefern, die ihn immer dann, wenn der Pilotpegel um einen
vorgegebenen Wert nach oben oder unten den Sollpegel überschreitet, d. h. wenn die
Eingangsgleichspannung U,
einen Schwellwert U" überschreitet, in Tätigkeit
setzt; so daß er nach einem vorgegebenen Takt das Schritt-Schaltwerk 3 über den
ersten Umschaltekontakt u1 in der richtigen Richtung fortschaltet. Zu diesem Zweck
wird das Potential V3 der verstärkten Differenzgleich-Spannung von der Zunge eines
zweiten Umschaltekontaktes u2 des Relais U jeweils vorn Kollektor des gerade stromführenden
ersten oder zweiten Transistors abgenommen, denn der Arbeitskontakt des zweiten
Umschaltekontaktes u2 ist mit dem Kollektor des ersten Transistors TI, der Ruhekontakt
des zweiten Umschaltekontaktes u2 mit dem Kollektor des zweiten Transistors T2 verbunden.
Die Zunge des Umschaltekontaktes u2 ist mit der Kathode der Zenerdiode Z verbunden,
deren Anode über den Arbeitswiderstand 8 mit dem Minuspol - UB der Batteriespannung
verbunden ist. Das Potential V4 an der Anode der Zenerdiode Z bildet gegenüber dem
Minuspol der Batteriespannung die dem Taktgeber 2 zugeführte Steuerspannung Us,
die sich als Differenz aus der verstärkten Differenzgleichspannung und der Zenerspannung
Ux ergibt.
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F i g. 2a zeigt den Verlauf der Kollektorströme i@, und i,2 des ersten
und zweiten Transistors Tl und T2
des Differenzverstärkers; abhängig von der
Regelgröße, d. h. von der Eingangsgleichspannung Ux. In dem relativ engen Bereich,
in dem die Eingangsgleichspannung Ux ungefähr gleich der Normalspannung
UN
ist, ändern sich die Kollektorströme ic, und ie2 sehr stark mit der Eingangsgleichspannung
Ux; der eine steigt auf Kosten des anderen und umgekehrt, die Summe der beiden Kollektorströme
ist ungefähr konstant. Außerhalb dieses engen Bereiches ist der Differenzverstärker
nicht mehr aussteuerfähig, d. h., ein Transistor ist völlig stromlos, der andere
zieht den gesamten Strom entsprechend der Stromsumme, die stets praktisch allein
bestimmt wird durch die feste Normalgleichspannung UN und den gemeinsamen
Emitterwiderstand 4. Durch die gegenkoppelnd wirkenden getrennten Einzelemitterwiderstände
5 und 6 läßt sich die Steilheit di,/dUx des Differenzverstärkers einstellen. In
das Stromdiagramm nach F i g. 2 a sind auch der Ansprechstrom Jan, und der Abfallstrom
Jas des Relais U eingetragen. Das Relais U schaltet in unmittelbarer
Umgebung von U, -- UN bei den Punkten A und B um. Wenn Ux <
UN ist, wird der Schaltmagnet Ml (Vorwärtslauf), wenn U" > UN ist,
wird der Schaltmagnet M2 (Rückwärtslauf) des in F i g. 1 angedeuteten Schrittschaltwerkes
3 über den ersten Umschaltekontakt u1 an den Ausgang des Taktgebers 2 angeschaltet.
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Aus dem Diagramm nach F i g. 2b geht hervor, wie die Steuerspannung
Us aus dem Differenzverstärker im einzelnen gewonnen wird. In Abhängigkeit von der
Eingangsgleichspannung Ux sind das Kollektorpotential V, des ersten Transistors
T1, das Kollektorpotential VZ des zweiten Transistors T2, das Zungenpotential Vs
des zweiten Umschaltekontaktes u2 und das Ausgangspotential V4 der Steuergleichspannung
Us aufgetragen. Die Kollektorpotentiale V1 und VZ verlaufen genau invers zu den
Kollektorströmen i,1 und f" in dem darüberliegenden Diagramm nach
F
i g: 2a. Mit steigender Eingangsgleichspannung Ux ist das Zungenpotential V3 gleich
dem Kollektorpotential VZ des zweiten Transistors T2 bis zu dem Punkt
A, wo das Relais U anzieht, worauf das Zungenpotential V3 auf das
Kollektorpotential V1 des ersten Transistors TI umspringt und dieses so lange beibehält,
bis bei fallender Eingangsgleichspannung Uz der Punkt B erreicht wird, bei dem das
Relais U abfällt und die Zunge des zweiten Umschaltekontaktes u2 wieder.das Potential
V2 annimmt.. Das Potential V4 der Anode der Zenerdiode Z ist um die Zenerspannung
Uz-gegenüber dem Potential V3. nach oben verschoben, allerdings nur su lange, solange
ein Zenerstrom über den Arbeitswiderstand 8 fließen kann, also diePotentialdifferenz
zwischen dem Minuspol - UB
der Batteriespannung und dem Zungenpotential V3
größer als die Zenerspannung Uz ist.
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Hat das Potential V4 das Potential des Minuspols - UB der Batteriespannung,
gegen den die Steuerspannung Us gemessen wird, erreicht, bleibt es auf dessen Potential
liegen, die Steuerspannung Us ist zu Null geworden.
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Der durch die Steuergleichspannung Us angesteuerte Taktgeber 2 hat
seinerseits eine Schwelle, d. h., er beginnt erst zu arbeiten, wenn die angelegte
Steuerspannung US einen Anlaufwert UA überschreitet, so daß an den Punkten C und
D, an denen der Verlauf des Potentials V4 eine um den Anlaufwert UA gegenüber der
Potentiallinie des Minuspols - UB der Batteriespannung versetzte Horizontale
schneidet, jeweils auf die Abszisse heruntergelotet die Ansprechgrenzen für Ux jeweils
bei UN 4- Uw zu finden sind.
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Das Relais U schaltet stets nur dann um, wenn der Taktgeber 2 in Ruhe
ist, der erste und der zweite Umschaltekontakt u1 und u2 also nicht den hohen Impulsstrom
führen. Das gilt auch dann noch, wenn bei dem Relais U Ansprech- und Abfallwert
sehr weit auseinander liegen, so daß in der Zeichnung z. B. der Punkt
A rechts vom Punkt C und/oder der Punkt B
links vom Punkt D zu liegen
kommt. In diesen Fällen wird die Steuerspannung Us erst im Moment des Umschaltens
des Relais U größer als der Anlaufwert UA des Taktgebers 2, und dann vergeht noch
eine kurze Zeit, bis der erste Impuls abgegeben wird. Bezüglich des Relais U besteht
überhaupt nur die eine Forderung, daß der Ansprechstrom Ja. kleiner als der maximale
Kollektorstrom des ersten Transistors T1 ist. Im übrigen dürfen die Relaiskontakte
noch Zwischenstellungen einnehmen, denn dann ist die Steuerspannung Us gleich Null
und der Taktgeber 2 in Ruhe.
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Die Steuerschaltung 1 ist von Schwankungen der Batteriespannung
UB weitgehend unabhängig. Die Kollektorströme ie, und ic2 hängen wegen des
stark gegenkoppelnd wirkenden gemeinsamen Emitterwider- ; Standes 4 .nur von der
Eingangsgleichspannung Ux und von der Normalgleichspannung UN ab. Das gleiche
gilt ebenfalls für die Spannungsabfälle am Relais U und am Widerstand 7, welche
letzten Endes die Steuerspannung Us bestimmen.
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Der Temperaturgang des Kupferwiderstandes der Relaiswicklung U kann
durch eine in Serie oder parallelliegende Heißleiteranordnung kompensiert werden.
Die Temperaturgänge der Emitter-Basis-Durchlaßschwellen des ersten und zweiten Tran-
E sistors T1 und T2 heben sich praktisch auf, besonders wenn die beiden Transistoren
gepaart und wärmegekoppelt sind. Darüber hinaus heben sich weitgehend der Temperaturgang
der Zenerdiode Z. und. der Temperaturgang der Emitter+Basis-Durchlaßschwelle des
Eingangstransistors des nachfolgenden Taktgebers 2 auf.
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5 -- F i g. 3 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit des Eingangsstromes
der Steuerschaltung von: .der -Eingangsgleichspannung Ux. Wie aus der Kurve von
1B1 ersichtlich ist, weist der Eingang des Differenzverstärkers ein stark nichtlineares.
Verhalten auf. Der Eino gangsstrom 1B1 des ersten Transistors T1 verläuft bis zum
Beginn des Aussteuerbereiches des Differenzverstärkers bei -einer Eingangsgleichspannung
von Ux = 6,5 Volt beim- Wert Null und wächst dann entsprechend der -B-Verstärkung
des ersten Tran-5 sistors T1 bis zum Ende des. Aussteuerbereiches bei Uz = 7,5 Volt.
Oberhalb des Aussteuerbereiches (s. F i g. 2a) steigt er nur schwach, bis er schließlich,
nachdem die Kollektorspannung des ersten, Transistors T1 durch den Spannungsabfall
am Relais U zu Null geworden ist, .steil ansteigt; denn dann hat der erste Transistor
T1 keine Stromverstärkung mehr und wirkt praktisch nur noch als Leitungsknoten.
Diese Erscheinung ist besonders dann störend, wenn zwecks anderweitiger Auswertung
der Regelgröße bzw. der Eingangsgleichspannung Ux auf deren Linearität beispielsweise
zu Meßzwecken oder zur Grenzwertsignalisierung großer Wert gelegt wird. Dazu :kommt
noch, und das gerade bei niederohmigen Eingangsgleichspannungsquellen, daß der Kollektorstrom
1,1. und also auch der am Relais U stehende Spannungsabfall absinkt. Zudem wird
die Sicherheit der Arbeitsweise des Differenzverstärkers beeinträchtigt.
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Einfachste Abhilfe ist ein Widerstand in der Basisleitung des ersten
Transistors T1; damit wäre der steile Stromanstieg ermäßigt, wie aus dem Diagramm
nach F i g. 3 aus der Kurve von iBl hervorgeht. Andererseits bringt aber der Spannungsabfall
an diesem Widerstand infolge des recht unsicheren Basisstromes (Schwankung der B-Verstärkung
und des Kollektor-Basis-Reststromes) eine Unsicherheit in die Bildung der Differenz
U" - UN, die aber möglichst genau sein sollte.
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Eine weit wirksamere Abhilfe läßt sich durch eine Schaltungsanordnung
nach F i g. 4 erreichen, in der ein dritter Transistor T3 am Eingang des Differenzverstärkers
angeordnet ist, der als Strombegrenzer wirkt. Die von der Pilotspannung abgeleitete
Gleichspannung wird dem Kollektor dieses Begrenzertransistors T3 zugeführt, dessen
Emitter an der Basis des ersten Transistors T1 liegt. Die Basis des Begrenzertransistors
T3 erhält über den hochohmigen Widerstand 19 vom Minuspol -UB der Batteriespannung
eine Einströmung, die ausreicht, den Begrenzertransistor T3 mit Sicherheit voll
zu öffnen. Er wirkt damit praktisch mit nur etwa 40 mV Spannungsabfall wie eine
Durchschaltung von seinem Kollektor zu. seinem Emitter. Die Basis des Begrenzertransistors
T3 ist über eine Diode 20 mit Durchlaßschwellcharakter mit dem Minuspol der Normalgleichspannung
Ur. verbunden, wodurch ein Ansteigen des Basispotentials des Begrenzertransistors
T3 über den Wert der Summe aus der Normalgleichspannung UN und der Schwellen-Spannung
der Diode 20 verhindert ist. Mit wachsender Gleichspannung Ux bleibt also das Basispotential
des Begrenzertransistors T3 stehen, und damit auch -das Potential an dessen Emitter
und an der Basis des ersten Transistors T1. Der Strom durch den Begrenzertransistor
T3 wird nach einem Verlauf vorn 43 im.
Diagramm nach F i g. 3 begrenzt.
Die Kollektor-Basis-Strecke des Begrenzertransistors fängt den Zuwachs der Gleichspannung
Ux auf. Der Widerstand 18 verbindet den Emitter des Begrenzertransistors T3 mit
dem Pluspol der Batteriespannungsquelle und leitet den Kollektorreststrom des ersten
Transistors T1 ab. In gewisser Hinsicht läßt sich die Strombegrenzung des Begrenzertransistors
T3 als ein Gewinn an Stromverstärkung des Differenzverstärkers deuten.
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Um den zweiten Umschaltekontakt u2 des Relais U
zu umgehen,
sind an Stelle dieses Kontaktes zwei Dioden 21 und 22 in Reihe entgegengeschaltet
mit ihren Anoden je einer an einem Kollektor des ersten bzw. zweiten Transistors
T1 bzw. T2 angeschlossen und mit ihren Kathoden mit der Kathode der Zenerdiode Z
verbunden.