DE4200891C2 - Zeitsteuereinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zeitsteuereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (Zeitschrift "Radio Fernsehen Elektronik", 1989, Heft 8, S. 494 bis 497).

Das Problem eines einstellbaren RC-Oszillators ist seine Kalibrierbarkeit für die Einhaltung einer bestimmten Frequenz. Die Einstellbarkeit des Zeitablaufs wird durch einen Regelwiderstand R der RC-Anordnung erreicht, wodurch der Zeitablauf T unter Einschluß des Teilers proportional zu Regelwiderstand R ist.

Eine Kalibrierung für einen bestimmten Zeitablauf Tmax und dem maximalen Widerstand Rmax ist erforderlich, da für Kondensatoren und Regelwiderstände nur Normreihen der Nennwerte zur Verfügung stehen; darüberhinaus müssen die individuellen Toleranzen dieser Bauelemente berücksichtigt werden.

Anzustreben ist nun ein linearer Zusammenhang O . . . R . . . Rmax und O . . . T . . . Tmax.

Eine Kalibrierung im Fertigungsprozeß ist nur durch einen zusätzlichen einstellbaren Kalibrierwiderstand sinnvoll. Bisher ausgeführte Schaltungen für die Kalibrierung von Zeitrelais, die einen Zeitschaltkreis, z. B. U 4541 DG, beinhalten, der die beschriebene Funktion der Umsteuerung der RC-Anordnung immer dann vornimmt, wenn die Spannung des Verbindungspunktes von R und C die halbe Betriebsspannung Us=Ub/2 erreicht hat, weisen eine Reihenschaltung des Regelwiderstandes und eines Kalibrierpotentiometers auf, dessen einstellbarer Abgriff über einen Widerstand mit dem Minuspotential des Zeitschaltkreises verbunden ist (Zeitschrift "Radio Fernsehen Elektronik", Berlin 1989, Heft 8, Seite 494 bis 497, Dr.-Ing. E. Fehse "Integrierter Timer U 4541 DG").

Nachteilig ist, daß nach erfolgter Kalibrierung die einstellbare Zeit T eine nichtlineare Funktion des Regelwiderstandes R ist, weil über das Kalibrierpotentiometer ein Strom abgeleitet wird, der nicht mehr den Kondensator C, abhängig von der eingestellten Zeit T, erreicht.

Um den Linearitätsfehler nicht zu groß werden zu lassen, sind einstellbare Zeitbereiche von 0,5 bis 10 s, also etwa 1 : 20 typisch.

Nachteilig ist weiter, daß nach dem Zeitablauf (T) der Oszillator weiterläuft, wodurch bei kleinen Zeiten T ein hoher Strombedarf infolge der hohen Frequenz die Folge ist.

Aufgabe der Erfindung ist, den Regelwiderstand als frequenzbestimmendes Element, der für die Definition der Ablaufzeit T benötigt wird, nicht für die Kalibrierung heranzuziehen und den Strom durch den Regelwiderstand vollständig über den Kondensator der RC-Anordnung zu leiten, um einen sehr hohen linearen Einstellbereich für die Ablaufzeit T zu erreichen und für eine erforderliche Kalibrierung die Frequenz des Oszillators zu beeinflussen, ohne die sonst frequenzbestimmende RC-Anordnung zu verändern und nach Ablauf der Zeit T den Oszillator anzuhalten, um bei sehr kurzen Ablaufzeiten den dann hohen Oszillatorstrom aus einem Stützkondensator beziehen zu können, der nachfolgend auf den Nennwert UB geladen wird. Der durchschnittliche Strombedarf der Zeitsteuereinrichtung ist dann von der eingestellten Ablaufzeit T unabhängig.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Der Ausgang des Zeitschaltkkreises ist über eine Schaltdiode in Flußrichtung mit dem Steueranschluß verbunden, falls nach dem Ablauf der eingestellten Zeit der Ausgang +Ub annimmt, andernfalls ist die Schaltdiode in Sperrichtung anzuordnen. In Weiterbildung der Erfindung wird der frequenzbestimmende Widerstand der RC-Anordnung aus der Reihenschaltung eines einstellbaren Kalibrierwiderstandes und eines Regelwiderstandes gebildet.

Die erfindungsgemäße Anordnung bewirkt, daß der Emitter die positiven Spannungen des Verbindungspunktes der RC-Anordnung unter weitgehender Entkopplung führt, deren Teilspannung Ut am Abgriff des Kalibrierpotentiometers am Steueranschluß über den Schutzwiderstand die jeweilige Umschaltung der RC-Anordnung einleitet.

Da jedoch weiterhin Ut=+Ub/2 als Schaltbedingung des Zeitschaltkreises bleiben muß, ist nun Up um das Spannungsteilerverhältnis 1/k höher; hierdurch werden zwei unterschiedliche Periodenzeiten Tp1 und Tp2 gebildet, wobei Tp1+Tp2 größer ist als für Ut=Up.

Die Berechnung der Zusammenhänge ergibt als Zeitablauf T:

T = 2 _* Ln (3) _* C _* R _* F (k) _* TF (1)

Tf ist der Teilerfaktor des Teilers

k = Ut/Up (1.1)

k ist mit Hilfe des Kalibrierpotentiometers von 1 bis Rf/(Rf+RPk) einstellbar (Rf Widerstand des Festwiderstandes, RPk Widerstand des Kalibrierpotentiometers).

T ist eine streng lineare Funktion des Regelwiderstandes R (O . . . R . . . Rmax) und die Zuordnung der festgelegten Ablaufzeit Tmax zu Rmax erfolgt einmalig durch die Kalibrierung durch Einführung des Kalibrierfaktors F(k) gemäß (2):

F(k) = (Ln(1 + 2 _* k) + Ln(k _* (4 - k)/(2 _* k - 1)))/(2 _* Ln (3)) (2)

Theoretisch kann im Bereich 1/2 . . . k . . . 1 jeder Wert F(k)=1 erreicht werden; für k=1 ist F(k) < = 1.

Damit k stets < = 1/2 bleibt, ist ein Festwiderstand mit einem Widerstand Rk, der gleich oder größer ist als der Widerstand RPk des Kalibrierpotentiometers, erforderlich. Praktisch wird man zum Beispiel k=0,7 für Nennwerte der Kapazität C und dem Maximalwert von R=Rmax wählen: in (1) ist dann k(0,7)=1,196512 aus (2) einzusetzen. Der Festwiderstand Rf ist dann so zu wählen, daß für den gesamten Bereich des Potentiometerabgriffs 0,6 < = k < = 1 einstellbar ist:
1,4158 < = F(k) < = 1; es können also Toleranzen von +/- 19,65% bezüglich F(k)=1,1965 durch die Wahl von k (Kalibrierung) der RC-Anordnung ausgeglichen werden.

Die erfindungsgemäße Zeitsteuereinrichtung verursacht folgenden durchschnittlichen Oszillatorstrom Im (Gleichstrom):

Im = UB/R _* (2 _* (1-k) + 1/2/k)/Ln(1 + 2 _* k) + Ln (k _* (4 - k)/(2 _* k - 1))). (3)

Für K=1 ist Im1=Ub/Ln (3); im gesamten Bereich k ist Im1 < Im < 2,3072 _* Im1.

Zur Berechnung der Kapazität eines Stützkondensators Cst, der für geringe T zu einem (zulässigen) Spannungsverlust DUb = Q/Cst führt, möge

Dub/Ub = 2 _* C/Cst _* FT (4)

(für k=1) angegeben werden.

Diese Formel gilt für den Stop des Oszillators infolge Übersteuerung durch die Diode nach dem Ablauf der Zeit T.

Gemäß der Weiterbildung der Erfindung besteht der Widerstand R der RC-Anordnung aus einer Reihenschaltung eines Kalibrierwiderstandes und einem Regelwiderstand. Hiermit wird eine Zweipunktkalibrierung ermöglicht, wodurch eine größte Ablaufzeit Tmax und eine kleinste Ablaufzeit Tmin für den Bereich 0 . . . Rmax des Regelwiderstandes zugeordnet werden kann.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Zeitsteuereinrichtung ohne Kalibriermöglichkeit,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Zeitsteuereinrichtung,

Fig. 3 eine Anordnung für die Zweipunktkalibrierbarkeit,

Fig. 4 ein T(R)-Diagramm der erfindungsgemäßen Zeitsteuereinrichtung.

Eine der Erfindung zugrunde gelegte Zeitsteuereinrichtung zeigt Fig. 1. Ein Zeitschaltkreis 11 ist mit seinem Anschluß 14 mit dem Pluspol 9 der Zeitsteuereinrichtung +Ub und mit dem Anschluß 7 mit dem negativen Pol 10 der Zeitsteuereinrichtung -Ub verbunden.

Eine Reihenschaltung eines Regelwiderstandes 4 und eines Kondensators 5 einer RC-Anordnung ist mit den Eingängen 1 und 2 des Zeitschaltkreises 11 verbunden, während der Verbindungspunkt 12 der Reihenschaltung über einen Schutzwiderstand 21 mit dem Steueranschluß 3 des Zeitschaltkreises 11 verbunden ist. Der Ausgang 8 des Zeitschaltkreises 11 dient zur Ansteuerung eines neutralen Relais (nicht dargestellt); nicht dargestellt ist ferner die Einstellbarkeit eines Teilerfaktors TF des Zeitschaltkreises. Wird der Resetanschluß 6 des Zeitschaltkreises 11 mit dem Minuspol 10 verbunden, werden die Anschlüsse 1 und 2 abwechselnd zwischen dem Pulspol 9 und dem Minuspol 10 umgepolt; die Umpolung erfolgt immer dann, wenn der Verbindungspunkt 12 gegenüber dem Minuspol 10 eine momentane Spannung Ut=+Ub/2 führt. Die Ablaufzeit wird nach (1) mit F(k)=1 projektiert.

Da der Regelwiderstand 4 die Ablaufzeit bestimmt, besteht keine weitere Kalibriermöglichkeit, um Toleranzen ausgleichen zu können.

Nach der Ablaufzeit T ist die RC-Anordnung weiter in Betrieb; hierdurch ist insbesondere für die Einstellung kleiner Zeiten der Strom durch die RC-Anordnung dauerhaft hoch; erst bei Verbindung des Resetanschlusses 6 des Zeitschaltkreises 11 mit dem Pluspol 9 wird die periodische Umschaltung der RC-Anordnung unterbrochen.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Zeitsteuereinrichtung. Der Verbindungspunkt 12 der RC-Anordnung 4 und 5 ist über einen Vorwiderstand 13 mit der Basis eines Emitterfolgers 18 verbunden, dessen Emitter über ein Kalibrierpotentiometer 15 und einem Festwiderstand 23 mit dem Minuspol 10 der Zeitsteuereinrichtung verbunden ist; der Kollektor des Emitterfolgers 18 ist mit dem Pluspol 9 der Zeitsteuereinrichtung verbunden. Der Regelwiderstand 4 ist mit einem R- Anschluß 1 und der Kondensator 5 ist mit einem C-Anschluß 2 des Zeitschaltkreises 11 verbunden.

Nimmt der Ausgang 8 nach der Ablaufzeit T das Potential -Ub an, muß die Schaltdiode 16 in Sperrichtung angeordnet werden.

Die Dimensionierung möge für k=0,7 (gemäß F(k)=1,1965 in (1)) erfolgt sein, so daß bei Nennwerten zum Beispiel 10 s als maximale Ablaufzeit Tmax der projektierte Wert ist. Wird der Resetanschluß 6 des Zeitschaltkreises 11 mit dem Minuspol 10 verbunden, ist sein Ausgang 8 zunächst negativ und daher die Schaltdiode 16 ohne Wirkung, während die periodische Umpolung der RC-Anordnung damit gestartet ist.

Der Toleranzausgleich, der am Kalibrierpotentiometer 15 einstellbar ist, beträgt etwa ±20%; soll hierfür der Bereich des Kalibrierpotentiometers 15 voll ausgenutzt werden, ist der Widerstand Rf des Festwiderstandes 23 gemäß Rf=0,7/(1-0,7) _* RPk = 2,33 _* RPk zu wählen; RPk ist der Widerstand des Kalibrierpotentiometers 15.

Die Kalibrierung erfolgt nun, indem der Abgriff 17 des Kalibrierpotentiometers 15 so eingestellt wird, daß bei maximalem Regelwiderstand 4 (Rmax) die projektierten 10 s genau eingehalten werden.

Da der Emitterfolger 18 die RC-Anordnung 4, 5 weitestgehend vom Minuspol 10 entkoppelt, ist die Kalibrierung entsprechend rückwirkungsfrei. F(k) in (1) ist durch die Kalibrierung festgelegt und die Ablaufzeit T ist eine lineare Funktion vom Widerstand R des Regelwiderstandes 4. Nach Ablauf der Zeit T wird der Ausgang 8 des Zeitschaltkreises 11 positiv und ein Ausgangsrelais wird durchgeschaltet; gleichzeitig wird auch die weitere Umladung der RC-Anordnung 4; 5 gestoppt, weil die Diode 16 den Steuereingang 3 übersteuert.

Bei kleinen Widerständen R hält der entsprechend hohe Strombedarf infolge der Umladung der RC-Anordnung 4; 5 nur jeweils über die eingestellte Ablaufzeit T an, so daß ein Stützkondensator 22 eine von R unabhängige relative Spannungsreduzierung gemäß (4) erfährt. So können theoretisch auch Ablaufzeiten T=0 eingestellt werden; dies wird jedoch durch die Innenwiderstände der Anschlüsse 1 und 2 des Zeitschaltkreises 11 verhindert. Praktisch werden bei Tmax=10 s (kalibrierter Wert) Tmin=10 ms für R=0 bei streng linearem Zusammenhang T(R) erreicht (1 : 1000 gegenüber 1 : 20 nach dem Stand der Technik).

Fig. 3 zeigt die Möglichkeit einer Zweipunktkalibrierung. Der Widerstand 4 der RC-Anordnung ist als Reihenschaltung eines Regelwiderstandes 19 und eines Kalibrierwiderstandes 20 ausgebildet. Die Kalibrierung erfolgt am Abgriff 17 des Kalibrierpotentiometers 15 zunächst für Tmax-Tmin; anschließend wird am Kalibrierwiderstand 20 Tmin (absolut) eingestellt. Die einstellbare Ablaufzeit Tmin<=T<=Tmax ist eine streng lineare Funktion des Regelwiderstandes 19 0<=R<=Rmax.

Ein praktisch aufgenommenes T(R)-Diagramm nach der Kalibrierung zeigt Fig. 4. Die strenge Linearität ist im gesamten Bereich 10 ms . . . 10 s (1 : 1000) erkennbar; die Funktion t(R) zeigt eine Parallelverschiebung von 10 ms entsprechend den Eingangswiderständen der Anschlüsse 1 und 2 des Zeitschaltkreises.

Bezugszeichenliste

 1 R-Anschluß des Zeitschaltkreises
 2 C-Anschluß des Zeitschaltkreises
 3 Steueranschluß des Zeitschaltkreises
 4 Regelwiderstand
 5 Kondensator
 6 Resetanschluß des Zeitschaltkreises
 7 -Ub-Anschluß des Zeitschaltkreises
 8 Ausgang des Zeitschaltkreises
 9 Pluspol der Zeitsteuereinrichtung
10 Minuspol der Zeitsteuereinrichtung
11 Zeitschaltkreis (U 4541 DG)
12 Verbindungspunkt von 4 und 5
13 Vorwiderstand
14 +Ub-Anschluß des Zeitschaltkreises
15 Kalibrierpotentiometer
16 Schaltdiode
17 Abgriff des Kalibrierpotentiometers 15
18 Emitterfolger
19 Regelwiderstand
20 Kalibrierwiderstand
21 Schutzwiderstand
22 Stützkondensator
23 Festwiderstand

Claims (2)

1. Zeitsteuereinrichtung für Zeit-, Meß- und Überwachungsrelais, die Zeitschaltkreise mit einem einstellbaren RC-Oszillator beinhalten, die eine zugehörige RC-Anordnung laufend umpolen und bei denen die Umpolung immer dann stattfindet, wenn der Verbindungspunkt des Widerstandes und des Kondensators der RC-Anordnung die halbe Betriebsspannung +Ub aufweist und bei denen zur Einleitung der Umpolung ein Steueranschluß des Zeitschaltkreises dient, und bei denen nach dem Ablauf einer Ablaufzeit T ein Ausgang des Zeitschaltkreises ein positives Potential +Ub oder das Minuspotential -Ub der Betriebsspannung Ub annimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt (12) über einen Vorwiderstand (13) mit der Basis eines Emitterfolgers (18) verbunden ist, dessen Emitter über die Reihenschaltung eines Kalibrierpotentiometers (15) und eines Festwiderstandes (23) mit dem Minuspol (10) der Zeitsteuereinrichtung verbunden ist und daß dessen Kollektor mit dem Pluspol +Ub (9) der Zeitsteuereinrichtung verbunden ist und daß der Abgriff (17) des Kalibrierpotentiometers (15) über einen Schutzwiderstand (21) mit dem Steueranschluß (3) des Zeitschaltkreises (11) verbunden ist, der bei Erreichen einer Steuerspannung Us=+Ub/2 jeweils die Umsteuerung der RC-Anordnung (4; 5) vornimmt, und daß der Ausgang (8) des Zeitschaltkreises (11) über eine Schaltdiode (16) in Flußrichtung mit dem Steueranschluß (3) verbunden ist, falls nach dem Ablauf der eingestellten Zeit der Ausgang (8) +Ub annimmt, andernfalls daß die Schaltdiode (16) zwischen dem Ausgang (8) in Sperrichtung mit dem Steueranschluß (3) des Zeitschaltkreises (11) verbunden ist und daß ein Stützkondensator (22) den Pluspol (9) mit dem Minuspol (10) verbindet und daß der +Ub-Anschluß (14) des Zeitschaltkreises (11) mit dem Pluspol (9) und der -Ub-Anschluß (7) mit dem Minuspol (10) verbunden ist.

2. Zeitsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der frequenzbestimmende Widerstand (4) der RC- Anordnung aus einer Reihenschaltung eines einstellbaren Kalibrierwiderstandes (20) und eines Regelwiderstandes (19) gebildet ist.