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Elektronisches Zeitrelais mit einem frequenzselektiven
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Rückkopplungsoszillator
Die Erfindung bezieht sich
auf ein elektronisches Zeitrelais mit einem frequenzselektiven RUckkopplungsoszillator
nach dem Gattungsteil des Anspruchs 1.
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Es ist bereits eine Schaltungsanordnung auf Transistorbasis für eine
stetig beziehungsweise stufenweise einstellbare Zeitverzögerung eines Signals insbesondere
in Steuerschaltungen bekannt, wobei die Ausgänge zwei astabiler Kippschaltungen
an den Eingang einer Koinzidenzstufe geschaltet sind, so daß bei Koinzidenz, insbesondere
der negativen Impulse, am Ausgang der Koinzidenzstufe ein Signal auf tritt, und
wobei zur stetigen Reglung der Zeitverzögerung die Frequenz beider Kippschaltungen
gleichzeitig und in einem vorher definierten Verhältnis einstellbar sind (DE-AS
11 50 116).
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Auch ist ein Verfahren zum Bestimmen des Zeitablaufes für elektrisch
betätigte Zeitschalter nicht neu, bei dem zwei an Zeitschaltern einstellbare Grundzeiten
oder zwei einstellbare Grundzeiten an einem Zeitschalter mit Flip-Flop-Stufen derart
wechselseitig schaltbar sind, daß eine die Impuisabgabe darstellende Vervielfachung
der Grundzeiten nach binärer Zählweise erfolgt, wobei sich gleichzeitig die Rückstellzeiten
für die Wiederinbetriebnahme der Zeitfolgen nicht auswirken (DE-OS 14 13 877).
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Um zwei getrennte Zeitkreise mit einem Einstellorgan so zu synchronisieren,
daß beim Versagen eines Zeitkreise die Zeit des anderen Zeitkreises definiert zu
Gunsten der jeweils geforderten Sicherheit länger oder kürzer wird, ist auch bereits
ein elektronisches Zeitrelais bekannt, das sich einer Doppelschaltung, bestehend
aus Generator und Teiler, bedient, der in Verbindung mit ein Steuerteil auf ein
Flip-Flop arbeitet, wobei zwei serie-
geschaltete RC-Glieder mit
umgekehrter Reihenfolge ihrer Schaltungselemente und ein ohmscher Spannungsteiler
vorgesehen sind, und wobei zwischen die Verbindungspunkte der Widerstände der RC-Glieder
und dessen Kondensatoren die Steuerstrecke eines von zwei komplementären Halbleiterschaltern
geschaltet ist (DE-PS 23 18 484], Diese bekannten in Verbindung mit eiektronischen
Zeitrelais verwendeten Schaltungen dienen zum Teil jedoch nur bestimmten Aufgabenstellungen
und bedienen sich andererseits logischer Schaltungen mit einer Vielzahl von Bauelementen,
die nur schwer abzugleichen sind.
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Andererseits sind auch schon abgleichbare astabile Multivibratoren
in Verbindung mit elektronischen Zeitrelais in Form von handelsüblichen Bausteinen
als Zeitgenerator zur Anwendung gebracht worden, die im wesentlichen aus zwei reihegeschalteten
Gattern bestehen, deren invertierte Ausgänge einerseits eingangsseitig ohmsch rückgekoppelt
sind und andererseits kapazitiv (Motorola MC MOS-Handbuch, 3. Auflage 1975, S.8.22
ff.).
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Dieser bekannte Baustein stellt im wesentlichen einen frequenzselektiven
Rückkopplungsoszillator dar und basiert im wesentlichen darauf, daß eine 3600 Phasendrehung
in einer geschlossenen Schleife aufrecht erhalten wird, während bekanntlich Multivibratorschaltungen
auf der Lade- und Entladezeit von RC-Schaltungen basieren, so daß der astabile Multivibrator
als zeitgesteuerter Oszillator anzusehen ist. Die Nultivibratorschaltung ist bei
dem bekannten Baustein in C-MOS-Technik realisiert, wobei der Schutzwiderstand,
der den Eingang des ersten Gatters mit seinem invertierten Ausgang verbindet, zehnmal
größer ist als ein mit diesem in Reihe liegender zweiter Widerstand. Diese handelsübliche
C-MOS-Bausteine können den Anforderungen für elektronische Zeitrelais nur dann
gerecht
werden, wenn mittels der Einstellwiderstände die Frequenz wenigstens im Verhältnis
1 : 20 verändert werden kann, wofür der erwähnte niederohmige Einstellwiderstand
unumgänglich ist. Unter Einhaltung der Betriebsbedingungen für den bekannten Baustein
läßt sich mit diesem die gewünschte Einstellung jedoch nicht bzw. nur unter Hinnahme
anderer Nachteile erreichen, wobei das Verhältnis zwischen den genannten in Reihe
liegenden Widerständen zwischen Eingang und invertiertem Ausgang des Gatters nicht
konstant bleibt.
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Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde
liegt, für ein elektronisches Zeitrelais einen frequenzselektiven Rückkopplungsoszillator
der eingangs genannten Art zu schaffen, der ausgehend von dem handelsüblichen C-MOS-Baustein
eine Frequenzeinstellung im Verhältnis von wenigstens 1 : 20 bei hoher Genauigkeit
und großer Linearität unter gleichzeitigem einfachen Ausgleich der bausteinmäßig
gegebenen Toleranzen mit preislich günstigen Voraussetzungen gewährleistet.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen
des Patentanspruchs 1 gegebenen Merkmale erreicht.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Aufgabenlösung ergibt sich
aus dem Unteranspruch.
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Die vorliegende Generatorschaltung ermöglicht die Realisierung eines
Mehrbereichsrelais für Schaltzeiten von wenigen Millisekunden bis mehreren Stunden
gleichermaßen wie den Aufbau eines nur für einen Zeitbereich ausgelegten Zeitrelais
auf einfache Weise unter Verwendung handelsüblicher C-MOS-Bausteine. Die Frequenz
läßt sich in einem ausreichenden Verhältnis verändern, wobei die
Anforderungen
an Genauigkeit und Linearität bei einfacher Abgleichmöglichkeit und genauer Einstellung
der Zeitskala unter Ausgleich aller Schaltungs- und Bauteiltoleranzen eine preislich
günstige Realisierung erlaubt.
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Die beiliegende Zeichnung zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform
einer frequenzselektiven Generatorschaltung unter Verwendung zweier rtihegeschalteter
Gatter mit jeweils invertierten Ausgängen.
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Entsprechend der Darstellung liegt der invertierte Ausgang Al des
ersten Gatters G1 am Eingang E2 des zweiten Gatters G2. Der invertierte Ausgang
A2 des zweiten Gatters G2, der zur Klemme A' führt, ist über den Anschlußpunkt 2
und einen Kondensator C' sowie einen Schutzwiderstand Rs, mit dem Anschlußpunkt
3 des Einganges El des ersten Gatters G1 einerseits verbunden und andererseits über
eine RC-Schaltung mit dem Anschlußpunkt 1 in der Verbindung zwischen dem invertierten
Ausgang Al des ersten Gatters G1 und dem Eingang E2 des zweiten Gatters G2. Diese
RC-Schaltung besteht einmal aus der Rvihenschaltung eines Abgleichwiderstandes R
mit einem Frequenzeinstellwiderstand RT und einer K weiteren hierzu parallelliegenden
Reihenschaltung von -einem Zeitkondensator C und einem zweiten Abgleichwiderstand
R,. Der erste Abgleichwiderstand RK dient der Einstellung der kürzeren Zeiten,währender
zweite Abgleichwiderstand E der Einstellung der langen Zeiten dient. Die eine Seite
jedes der Abgleichwiderstände RK und \ - liegen am Anschlußpunkt 1 zwischen den
beiden Gattern G1 und G2. Der Zeitkondensator C liegt einerseits am Schleifkontakt
S des Frequenzeinstellwiderstandes RT und andererseits an der dem Anschluß zum Anschlußpunkt
1 des Abgleichwiderstandes RL gegenüberliegenden Seite mit einer Verbindung zu einem
Schutzwiderstand
R5, der seinerseits in Reihe mit einem zweiten Schutzwiderstand RS liegend an den
Eingang El des ersten Gatters G1 angeschlossen ist.
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Liegt die Versorgungsspannung an den beiden Gattern G1 und G2 beginnt
der Zyklus des Frequenzgenerators. Die Zeitkondensatoren C und C' befinden sich
am Anfang in dem entladenen Zustand. Der Anschlußpunkt 1 zwischen den Gattern G1,
G2 ist im Zustand "HIGH" und der Ausgang A2 des Gatters G2 befindet sich auf "LOW".
Der Zeitkondensator C lädt sich über den Abgleichwiderstand N und gleichzeitig der
Kondensator C' zusätzlich über den Widerstand R5 auf. Somit steigt die Spannung
am hochohmigen Eingang El des Gatters G1. Wird die Ubertragungsspannung des Gatters
G1, welche in der Mitte der Versorgungsspannung liegt, überschritten, polt die Spannung
für das Zeitglied abrupt um.Damit befindet sich der Anschlußpunkt 1 auf MLOW1e und
der Anschlußpunkt 2 auf "HIGH", der Zeitkondensator C entlädt sich, und zwar zusammen
mit dem Kondensator C', letzterer zusätzlich über R5, bis die Übertragungsspannung
wieder unterschritten wird ung der Zyklus erneut beginnt. Die Spannung zwischen
den Anschlußpunkten 1 und 2 polt sich also zyklisch laufend um. Zwischen diesen
Punkten ist der Frequenzeinstellwiderstand RT und der Abgleichwiderstand RK geschaltet.
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Mit dem Schleifkontakt S des Frequenzeinstellwiderstandes RT kann
die Spannung und somit die Periodendauer für das Zeitglied E C verstellt werden.
Befindet sich der Schleifkontakt 8 des Frequnzeinstellwiderstandes s am Ende E,
ist die Spannung für das Zeitglied groß und damit die Zeit lang. Wird der Schleifkontakt
S in die andere Richtung verstellt, so wird die Spannung für das Zeitglied immer
kleiner und dadurch auch die Zeit, da das Bezugs-
potential des
Zeitkondensators C zum Ausgang A2 des Gatters G2 angehoben wird. Diese verstellbare
Spannungsteilerschaltung ist relativ zum RL C-Glied niederohmig.
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Mit dem Abgleichwiderstand Rx kann die kürzeste Periodendauer abgeglichen
und mit dem Abgleichwiderstand E kann die längste Periodendauer geeicht und somit
vorhandene Toleranz der Bauteile ausgeglichen werden.
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Der Frequenzeinstellwiderstand RT ist für elektronische Zeitrelais
das Zeiteinstellpotentiometer,mit dem die Zeit im Verhältnis zum Beispiel 1 : 20
eingestellt werden kann. Der Widerstand Rs ist für alle Zeiteinstellungen im geforderten
gleichen Verhältnis zu dem Abgleichwiderstand E dimensionierbar. Der Widerstand
R5 ermöglicht, daß die Kurvenform der Ladung des Zeitkondensators C erstens unabhAngig
von der Eingangsbeschaltung und Toleranz durch Exemplarstreuungen des Gatters G1
wird und zweitens ist das wichtige Verhältnis zu dem Abgleichwiderstand RL bei jeglicher
Zeiteinstellung das gleiche.
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Dies begünstigt die Skalengenauigkeit für das Zeitrelais.
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Die Kapazität des Kondensators C' ist im Verhältnis zudem zeitbestimmenden
Kondensator C so klein, daß er nur für die kürzeste Periodendauer beziehungsweise
die höchst Frequenz zum Teil wirksam ist. Er liegt immer, unabhängig von der Einstellung
des Schleifkontaktes S des Frequenzeinstellwiderstandes RT, an der gesamten Versorgungsspannung
über die Widerstände RL und R5 zwischen den Anschlußpunkten 1 und 2.
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Der Kondensator C' wird über die Widerstände RL und R5 auf- und entladen.
Dadurch bestimmt er eine kurze Grundzeit, die der gesamten verstellbaren Zeit addiert
ist.
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Die zyklische Ladung des Kondensators C' macht also bei jeglicher
Zeiteinstellung den maximalen Spannungshub im
Gegensatz zu dem
Zeitkondensator C und wirkt zusätzlich entstörend. Der Widerstand Rs, verhindert,
daß zu hohe Ströme über die Schutzbeschaltung des Eingangs El des Gatters G1 aus
dem Kondensator C' fließen und zusätzlich die Kurvenform seiner Ladung unabhängig
davon wird. Nun kann die einstellbare rechteckige Periodendauer am Anschlußpunkt
2 am Ausgang A2 bzw. A' des Gatters G2 von einem Zähler addiert werden, um die gewünschte
Zeitverzögerung der Zeitrelais zu erreichen.