DE3103685C2

DE3103685C2 - Elektronisches Zeitrelais mit einem frequenzselektiven Rückkopplungsoszillator

Info

Publication number: DE3103685C2
Application number: DE19813103685
Authority: DE
Inventors: Karl-Dieter Ing.(Grad.) Friedrich; Gerd Lothar 1000 Berlin Metzner
Original assignee: Schleicher GmbH and Co Relais Werke KG
Current assignee: Schleicher GmbH and Co Relais Werke KG
Priority date: 1981-01-30
Filing date: 1981-01-30
Publication date: 1984-01-26
Also published as: DE3103685A1

Abstract

Es wird ein elektronisches Zeitrelais mit einem frequenzselektiven Rückkopplungsoszillator beschrieben, der im wesentlichen aus zwei in Reihe geschalteten Gattern besteht, deren Ein- und Ausgänge sowie deren Verbindungspunkt mittels einer besonderen Schaltung aus RC-Gliedern bestehend so miteinander verknüpft sind, daß sich eine Generatorschaltung ergibt, die von handelsüblichen C-MOS-Bauteilen ausgehend den modernen Anforderungen an elektronische Zeitrelais gerecht wird. Eine Frequenzveränderung wenigstens im Verhältnis 1 : 20 mittels niederohmiger Einstellwiderstände gewährleistet eine lineare Genauigkeit der vorzugebenden Werte bei geringem schaltungstechnischen Aufwand und einfachster Abgleichmöglichkeit, ohne daß besondere Rücksicht auf die Toleranzen der Bausteine der Schaltung zu nehmen wäre.

Description

Die Erfindung bezieht s'ch auf ein elektronisches Zeitrelais mit einem frequenzselektiven Rückkopplungsoszillator nach dem Gattungsteil des Anspruchs 1.

Es ist bereits eine Schaltungsanordnung auf Transistorbasis für eine stetig bzw. 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 auftritt, und wobei zur stetigen Regelung der Zeitverzögerung die Frequenz beider Kippschaltungen gleichzeitig und in einem vorher definierten Verhältnis einstellbar sind (DE-AS 11 50 116).

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 Impulsabgabe 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).

Um zwei getrennte Zeitkreise mit einem Einstellorgan so zu synchronisieren, daß beim Versagen eines Zeitkreises 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 einem Steuerteil auf ein Flip-Flop arbeitet, wobei zwei seriegeschaltete ÄC-Glieder mit umgekehrter Reihenfolge ihrer Schaltungselemente und ein ohmscher Spannungsteiler vorgesehen sind, und wobei zwischen ,j die Verbindungspunkte der Widerstände der ÄC-Glie- f der und dessen Kondensatoren die Steuerstrecke eines von zwei komplementären Halbleiterschaltern geschaltet ist (DE-AS 23 18 484).

Diese bekannten, in Verbindung mit elektronischen 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.

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.). Dieser bekannte Baustein stellt im wesentlichen einen frequenzselektiven Rückkopplungsoszillator dar und basiert im wesentlichen darauf, daß eine 360°-Phasendrehung in einer geschlossenen Schleife aufrechterhalten wird, während bekanntlich Multivibratorschaltungen auf der Lade- und Entladezeit von ÄC-Schaltungen basieren, so daß der astabile Multivibrator als zeitgesteuerter Oszillator anzusehen ist. Die Multivibratorschaltung 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 handelsüblichen 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.

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.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruch? 1 gegebenen Merkmale erreicht.

Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Aufgabenlösung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Die vorliegende Generatorschaltung ermöglicht die Realisierung eines Mehrbereichsrelais für Schaltzeiten von wenigen Millisekunden bis mehreren Stunden \ί gleichermaßen wie den Aufbau eines nur für einen Zeitbereich ausgelegter 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 Abgleichmög- \ Iichkeit und genauer Einstellung der Zeitskala unter 'Ausgleich aller Schaltungs- und Bauteiltoleranzen eine preislich günstige Realisierung erlaubt.

Die Zeichnung zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform einer frequenzselektiven Generatorschaltung lunter Verwendung zweier reihegeschalteter Gatter mit ... jeweils invertierten Ausgängen.
, Entsprechend der Darstellung liegt der invertierte Ausgang A 1 des ersten Gatters Gi am Eingang E 2 des zweiten Gatters G 2. Der invertierte Ausgang A 2 :des zweiten Gatters G 2, der zur Klemme A' führt, ist - über den Anschlußpunkt 2 und einen Kondensator C sowie einen Schutzwiderstand Äs mit dem Anschluß- ^:punkt 3 des Eingangs Ei des ersten Gatters GJ einerseits verbunden und andererseits über eine HC-Schaltung mit dem Anschlußpunkt 1 in der Verbindung zwischen dem invertierten Ausgang A i des ersten Gatters Gi und dem Eingang £2 des zweiten Gatters G 2. Diese /?C-Schaltung besteht einmal aus der Reihenschaltung eines Abgieichwiderstandes Rk mit einem Frequenzeinstellwiderstand Rt und einer weiteren hierzu parallelliegenden Reihenschaltung von einem Zeitkondensator C und einem zweiten Abgleichwiderstand Rl- Der erste Abgleichwiderstand Rk dient der Einstellung der kürzeren Zeiten, während der zweite _ Abgleichwiderstand Rl der Einstellung der langen' Zeiten dient. Die eine Seite jedes der Abgleich widerstände Rk und Rl liegt am Anschlußpunkt 1 zwischen den beiden Gattern G1 und G 2. Der Zeitkondensator Cliegt einerseits am Schleifkontakt 5des Frequenzeinstellwiderstandes Rt und andererseits an der dem Anschluß zum Anschlußpunkt 1 des Abgieichwiderstandes R_L g ?enüberliegenden Seite mit einer Verbindung zu einem Schutzwiderstand Rs, der seinerseits in Reihe mit einem zweiten Schutzwiderstand /?s'liegend an den Eingang E J des ersten Gatters G 1 angeschlossen ist.

Liegt die Versorgungsspannung an den beiden Gattern G1 und G 2, beginnt der Zyklus des Frequenzgenerators. Die Zeitkondensatoren C und C bo befinden sich am Anfang in dem entladenen Zustand. Der Anschlußpunkt 1 zwischen den Gattern Gi, G 2 ist im Zustand »HIGH«, und der Ausgang A 2 des Gatters G 2 befindet sich auf »LOW«. Der Zeitkondensator C lädt sich über den Abgleichwiderstand R_L und gleichzeitig der Kondensator C zusätzlich über den Widerstand Rs auf. Somit steigt die Spannung am hochohmigen Eingang Ei des Gatters Gi. Wird die Übertragungsspannung des Gatters G 1, welche in der Mitte der Versorgungsspannung liegt, überschritten, polt die Spannung für das Zeitglied abrupt um. Dsmit befindet sich der Anschlußpunkt 1 auf »LOW« und der Anschlußpunkt 2 auf »HIGH«; der Zeitlcondensator C entlädt sich, und zwar zusammen mit dem Kondensator C, letzterer zusätzlich über Rs, bis die Übertragungsspannung wieder unterschritten wird und der Zyklus erneut beginnt. Die Spannung zwischen den Anschlußpunkten 1 und 2 polt sich also zyklisch laufend urn. Zwischen diesen Punkten ist der Fiequenzeinstellwiderstand R_Tund der Abgleichwiderstar.d 7?« geschaltet.

Mit dem Schleifkontakt S des Frequenzeinstellwiderstandes Rt kann die Spannung und somit die Periodendauer für das Zeitglied Ri C verstellt werden. Befindet sich der Schleifkontakt S des Frequenzeinstellwiderstendes Rt 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 Bezugspotential des Zeitkondensators C zum Ausgang A 2 des Gatters G 2 angehoben wird. Diese verstellbare Spannungsteilerschaltung ist relativ zum /?£-C-Glied niederohmig.

Mit dem Abgleichwiderstand Rk kann die kürzeste Periodendauer abgeglichen und mit dem Abgleichwiderstand Rl kann die längste Periodendauer geeicht und somit vorhandene Toleranz der Bauteile ausgeglichen werden.

Der Frequenzeinstellwiderstand Rt ist für elektronische Zeitrelais das Zeiteinstellpotentiometer, mn 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 Rl dimensionierbar. Der Widerstand Rs ermöglicht, daß die Kurvenform der Ladung des Zeitkondensators C erstens unabhängig von der Emgangsbeschaltung und Toleranz durch Exemplarstreuungen des Gatters G1 wird, und zv/eitens ist das wichtige Verhältnis zu dem Abgleichwiderstand R_L bei jeglicher Zeiteinstellung das gleiche. Dies begünstigt die Skalengenauigkeit für das Zeitrelais. Die Kapazität des Kondensators C ist im Verhältnis zu dem zeitbestimmten Kondensator Cso klein, daß er nur für die kürzeste Periodendauer bzw. die höchste Frequenz zum Teil wirksam ist. Er liegt immer, unabhängig von der Einstellung des Schleifkontaktes 5des Frequenzeinstell-" iderstandes Rt. an der gesamten Versorgungsspannung über die Widerstände Ri. und R_s zwischen den Anschlußpunkten 1 und 2.

Der Kondensator C wird über die Widerstände Rl und Rs auf- und entladen. Dadurch bestimmt er eine kurze Grundzeit, die der gesamten verstellbaren Zeit addiert ist. 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 E1 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 A 2 bzw. A'des Gatters G2 von einem Zähler addiert werden, um die gewünschte Zeitverzögerung der Zeitrelais zu erreichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronisches Zeitrelais mit einem frequenzselektiven Rückkopplungsoszillator, bei dem die Ausgangsfrequenz mittels einer ÄC-Schaltung vorgebbar ist, wobei zwei in Reihe geschaltete Gatter derart miteinander verdrahtet sind, daß der Eingang des ersten Gatters mit seinem invertierten Ausgang über Widerstände verbunden ist und dieser Ausgang mit dem gleichfalls invertierten Aaisgang des zweiten Gatters unter Zwischenschaltung wenigstens eines Kondensators in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem zweiten Gatter (G 2) eine Reihenschaltung eines ersten Abgleich Widerstandes (Rk) und eines Frequenzeinstellwiderstandes (Rt) liegt, wobei die eine Seite des Abgleichwiderstandes (Rk) an dem Anschlußpunkt (1) des invertierten Ausgangs (A 1) des ersten Gatters (G V₁ zum Eingang (E 2) des zweiten Gatters (G2) liegt und die andere Seite des ersten "Abgleichwiderstandes (Rk) am Anfang (A) des · Frequenzeinstellwiderstandes (Rt), dessen Ende (E) am Anschlußpunkt (2) des Ausgangs (A 2) des zweiten Gatters (G 2) liegt, daß der Schleifkontakt (S) des Frequenzeinstellwiderstandes (Rt) an einer /ZC-Reihenschaltung, bestehend aus einem zweiten Abgleichwiderstand (Ri) und einem Zeitkondensator (C) liegt, die zusammen parallel zu dem ersten Abgleichwiderstand (Rk) und wenigstens einem Teil des Frequenzeinstellwiderstandes (Rτ) geschaltet ist, derart, daß die nicht mit dem Zeitkondensator (C) verbundene Seite des zweiten Abgleichwiderstandes (Rl) an dem Anschlußpunkt (1) zwischen dem ersten Gatter (G 1) und dem zweiten Catter (G 2) liegt, und daß die Verbindung zwischen dem zweiten Abgleichwiderstand (Ri) und dem Zeitkondensator (C) über wenigstens einen Schutzwiderstand (Rs, Rs') am Anschlußpunkt (3) mit dein Eingang (EX) des ersten Gatters (G 1) in Verbindung steht.

2* Elektronisches Zeitrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Verbindung des zweiten Abgleichwiderstandes (Ri) mit den Zeitkondensator (C) über zwei Schutzwiderstände (Rs und Rs') eine Koppelleitung zum Eingang (E 1) des ersten Gatters (G 1) geführt ist, und daß der Verbindungspunkt zwischen den beiden Schutzwiderständen (Rs, Rs') über einen weiteren Kondensator (C) mit dem Anschlußpunkt (2) am Ausgang (A 2) des zweiten Gatters (G 2) verbunden ist.