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Empfangsschaltung für auf rasche Zustandsänderungen, vorzugsweise
Kapazitätsänderungen, ansprechende Alarmeinrichtungen Die Erfindung bezieht sich
auf eine Empfangsschaltung für auf rasche Zustandsänderungen, vorzugsweise Kapazitätsänderungen,
ansprechende Alarmeinrichtungen, bei denen eine Meßbrücke über eine aus einem RC-Glied
bestehende Differenzierschaltung einen elektronischen Schalter steuert.
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Eine solche Empfangsschaltung benötigen vor allem Raumschutzanlagen,
die bei Eindringen eines Störers in den zu schützenden Raum wegen der damit verbundenen
Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden .die zugehörige Meßbrücke verstimmen
und so einen angeschlossenen Alarmgeber betätigen. Normalerweise reagieren aber
derartige Alarmeinrichtungen nicht nur auf einen eindringenden Störer, sondern auch
auf Temperatureinflüsse; so spricht z. B. ein Kapazitätsrelais mit einem auf dem
Kennlinienknick arbeitenden Oszillator in Gestalt eines Transistors auf jede noch
so langsam erfolgende Änderung der Meßkapazität an. Der Transistor-Kollektor ist
dabei einerseits mit einer geerdeten Batterie verbunden und andererseits über den
Abstimmungskondensator an das ebenfalls geerdete Anzeigerelais und die Oszillatorspule
geschaltet, die mit ihrem anderen Ende an die Basis des Transistors und an die Meßelektrode
angeschlossen ist, während ein Abgriff .dieser Oszillatorspule an den Transistor-Emitter
geführt ist. Solche Fehlalarme, durch die von Temperaturschwankungen verursachten
langsamen Kapazitätsänderungen, verhindert man im allgemeinen mit einem zwischen
den Meßelektroden und dem Alarmgeber vorgesehenen Differenzierglied, weil dann nur
noch rasche Zustandsänderungen, also solche mit einem ausreichend großen Differentialquotienten,
den Alarmgeber zum Ansprechen bringen. Doch können .dann die an sich wegen ihrer
geringen Störanfälligkeit gerne als Schalter für den Alarmgeber verwendeten Transistoren
nicht vorgesehen werden, weil ihr niedriger Eingangswiderstand einen unverhältnismäßig
großen Kondensator für das Differenzierglied bedingen würde.
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In bisher bekannten Raumschutzanlagen wird deshalb eine Röhre als
elektronischer Schalter verwendet, wie F i g.1 .dies bei einer solchen Anlage zeigt.
Nach Schließen der beiden Schaltstrecken Sch 1, Sch 2
des handbetätigbaren
Betriebsschalters Sch wird die bereits im Ruhezustand etwas verstimmte Meßbrücke
MB vom Wechselspannungsgenerator Ge über die Speisediagonale ab gespeist,
so daß an ihrer Meßdiagonale mh ständig eine Wechselspannung ansteht. Der Speisekondensator
K1 wird also über den Verstärker V und den Richtleiter Grl mit der in der Zeichnung
dargestellten Polarität aufgeladen. Damit hat jede Änderung der Brückenverstimmung
auch eine Änderung der Spannung des Speicherkorden-Bators K 1 zur Folge, und nur
diese Spannungsänderungen des Speicherkondensators K1 gelangen über das Differenzierglied
K2, R1 an die den Alarmgeber W steuernde Empfangsschaltung, wobei der in Graetzschaltung
verwendete Gleichrichter Gr2 jede Ladungsänderung des Speicherkondensators K 1 so
auswertet, .daß am Widerstand R 1 immer die in Klammern dargestellte Polarität entsteht.
Dann wird aber jedesmal die Röhre Rö leitend und betätigt ihrerseits das Alarmrelais
X, das sich über seinen Selbsthaltekontakt x 1 so lange hält und mittels des Weckers
W Alarm gibt, bis der Kurzschließkreis x 1,
Ta des Alarmrelais
X durch die Taste Ta unterbrochen wird.
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Diese Gleichstromsteuerung der Röhre Rö durch galvanische Kopplung
über den Widerstand R 1 ist bei Verwendung eines Transistors als elektronischer
Schalter an Stelle der Röhre Rö nur bedingt durchführbar. Wegen des bei einem Transistor
nicht zu vermeidenden Basisreststromes IBo und wegen der thermischen Instabilität
eines jeden Transistors darf der Basiswiderstand R 1 nicht zu groß gewählt werden,
da sonst der durch den Basisreststrom IBa am Basiswiderstand R 1 entstehende Spannungsabfall
den Transistor immer leitend machen würde, zumindest ist dies bei höheren Temperaturen
.der Fall, da .dann der Basisreststrom IBo hohe Werte annimmt. Andererseits muß
aber bei einer kapazitiven Raumschutzanlage der Widerstand R 1 des Differenziergliedes
entsprechend groß gemacht werden, um auch noch Zustandsänderungen während eines
Zeitraumes von beispielsweise fünf Minuten erfassen zu können da auch noch langsame
Bewegungen eines Eindringlings
gemeldet werden sollen, wie dies
bereits erwähnt wurde.
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Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, diese einanaler widersprechenden
Forderungen in Einklang zu bringen, nämlich trotz einer Differenzierschaltung mit
hohem Entladewiderstand dem elektronischen Schalter einen niedrigen Eingangswiderstand,
also insbesondere einem Transistor, einen niedrigeren Emitter-Basis-Widerstand zwecks
hoher Temperaturstabilität.vorzuschalten, also eine Differenzierschaltung zu schaffen,
die lange Zeiten mit einem normalen Kondensator und einem elektronischen Schalter
mit niedrigem Eingangswiderstand zu bewältigen vermag. ' Erfindungsgemäß wird dies
bei einer Empfangsschaltung der einleitend angeführten Art dadurch erreicht, daß
in dem über einen Eingangsübertrager angepaßten Eingangskreis eines elektronischen
Schalters, in an sich bekannter Weise ein nicht linearer Widerstand als durch den
Differenzierimpuls steuerbarer Wechselstromschalter für eine an den elektronischen
Schaltereingang anlegbare Hilfswechselspannung wirkt. Vorteilhafterweise kann weiterhin
als elektronischer Schalter ein solcher mit niedrigem Eingangswiderstand verwendet
sein. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Richtleiter oder zwei antiparallelgeschaltete
Richtleiter, vorzugsweise mit definierten Schwellwerten, als nichtlinearer Widerstand
verwendet, wobei .der Scheitelwert der Hilfsspannung unter dem Schwellwert der Richtleiter
liegt. Dadurch wird erreicht, daß im Ruhezustand der Differenzierwiderstand durch
die nachgeschaltete Empfangsschaltung gleichstrommäßig nicht belastet wird und weiterhin
die Hilfswechselspannung die Empfangsschaltung - nicht durchsteuern kann. Gegebenenfalls
sind der Eingangskreis der Empfangsschaltung von dem Differenzierwiderstand durch
geeignete Mittel, beispielsweise einen Blockkondensator, gleichstrommäßig zu trennen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann man die Hilfswechselspannung an antiparallelgeschalteten
Richtleitern eines aus einem ohmschen Widerstand und den antiparallelgeschalteten
Richtleitern bestehenden Spannungsteilers abgreifen,-wobei. dieser vorzugsweise
in der Brückenmeßdiagonale liegt-und wobei die antiparallelgeschalteten Richtleiter
im Entladekreis des Differenzierkondensators liegen können, weil dann keine zusätzliche
Spannungsquelle zur Erzeugung der Hilfswechselspannung erforderlich ist: Vorteilhafter
Weise können Richtleiter, vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff bestehende Richtleiter,
mit gleicher Stromspannungscharakteristik und gleichem Temperaturverhalten verwendet
werden, weil damit Temperatureinflüsse in weiten Grenzen ausgeschaltet werden können.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den in der Zeichnung
mit ihrer Schaltung dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigt F i g. 2 die Wirkungsweise
eines als Wechselstromschalter verwendeten--gleichstromgesteuerten Richtleiters,
F i g. 3 die Ankopplung einer Transistoren enthaltenden Empfangsschaltung an das
Differenzierglied mittels eines Richtleiters, .
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F i g. 4 und 5 die Ankopplung einer Transistoren enthaltenden Empfangsschaltung
an das Differenzierglied mittels einer durch Gleichstrom vormagnetisierbaren Drosselspule,
, F i g. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Hilfswechselspannung der
Brückenmeßdiagonale entnommen wird und zwei antiparallelgeschaltete Richtleiter
zur Ankopplung dienen.
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F i g. 2 zeigt die Kennlinie eines einen Schwellwert aufweisenden
Richtleiters. Im Ruhezustand (Arbeitspunkt A) wird eine unter dem Schwellwert (Arbeitspunkt
B) liegende an den Richtleiter Gr angelegte Wechselspannung Uw keinen Strom
IG,, im Richtleiter erzeugen. Wird dagegen durch eine an den Richtleiter in Durchlaßrichtung
gelegte Gleichspannung der Arbeitspunkt nach C verlegt, so wird der Richtleiter,
wie dargestellt, von Gleichstrom mit einem hohen Wechselstromanteil durchflossen.
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In F i g. 3 sind von der Brückenschaltung einschließlich dem Differenzierglied
entsprechend der F i g. 1 nur der Widerstand R 1 und der Gleichrichter Gr2 dargestellt.
Parallel zum Differenzierwiderstand R1 liegen ein Kondensator K3 als Durchlaß für
Wechselstrom, der klein gegenüber dem Kondensator K2 sein muß, und die Reihenschaltung,
bestehend aus der Sekundärwicklung II des übertragers Ü1, durch den die Hilfswechselspannung
eingespeist wird, dem Richtleiter Gr3 und die Primärwicklung I des Eingangsübertragers
02 für den Transistor Tr, wobei der Richtleiter Gr3 so geschaltet ist, daß die am
Differenzierwiderstand R 1 entstehende Gleichspannung den Richtleiter Gr3 in Durchlaßrichtung
durchfließt. Solange keine Gleichspannung am Differenzierwiderstand R 1 ansteht,
sperrt der Richtleiter Gr3 .den Durchgang für die Wechselspannung und wegen seines
Schwellwertes auch für die Gleichspannung, so daß die Zeitkonstante des Differenziergliedes
K2, R 1 nur von der Größe des Kondensators K2 und des Widerstandes R1 bestimmt wird.
überschreitet dagegen der Gleichspannungsanteil den Schwellwert des Richtleiters
Gr3, so wird dieser sowohl für die Gleich- als auch für die Wechselspannung leitend.
Damit dringt die Hilfswechselspannung über den Eingangsübertrager Ü2 zu dem Transistor
Tr und dieser betätigt das Alarmrelais X, das sich dann über den Selbsthaltekontakt
x1 selbst hält. Gleichzeitig wird nunmehr zwar auch dem hohen Differenzierwiderstand
R 1 der für Gleichstrom niedrige-Widerstandswert der Primärwicklung I des Eingangsübertragers
Ü2 parallel geschaltet. Der Richtleiter Gr3 bildet ja nun auch für Gleichstrom einen
niedrigen Widerstand; weil jedoch die Alarmeinrichtung W schon angesprochen hat,
ist dieses bedeutungslos. .
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Wird an Stelle eines Richtleiters ein anderer nichtlinearer Widerstand
als ein mittels Gleichstrom steuerbarer Wechselstromschalter verwendet, beispielsweise
eine durch Gleichstrom vormagnetisierbare Drosselspule Dr1, die diese Schwellwirkung
nicht aufweist, so muß durch Einschalten des Kondensators K4 zwischen den Differenzierwiderstand
R1 und die Primärwicklung I des Eingangsübertragers 02 eine gleichstrommäßige Rückwirkung
aufeinander unterbunden werden (vgl. F i g. 4). Weiterhin muß bei Verwendung von
nichtlinearen Widerständen ohne absolute Sperrwirkung für den Wechselstrom - die
also immer einen gewissen Restwechselstrom durchlassen - durch geeignete Maßnahmen
dafür Vorsorge getroffen werden, beispielsweise durch ein entsprechendes Übersetzungsverhältnis
des Eingangsübertragers Ü2 bzw. durch eine entsprechend zu wählende Vorspannung
des Transistors
Tr, daß dieser nur dann durchgesteuert wird, wenn
der als Wechselstromschalter dienende nichtlineare Widerstand Dr mit Gleichstrom
durchsteuert wird.
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In F i g. 5 wird der den Differenzierwiderstand R 1 durchfließende
Gleichstrom noch durch die Steuerwicklung der gleichstromvormagnetisierbaren Drosselspule
Dr2 geschickt. Damit entfällt der Gleichrichter Gr2, da die Drosselspule Dr2 unabhängig
von der Richtung des seine Steuerwicklung durchfließenden Gleichstromes immer dann
für Wechselstrom einen niedrigen Widerstand darstellt, wenn sie überhaupt vormagnetisiert
wird. Durch die über den Übertrager 01 eingespeiste Hilfswechselspannung
wird der Transistor Tr so lange leitend, als die Drosselspule Dr2 für Wechselspannung
einen hohen Widerstand darstellt und so lange bleibt das Alarmrelais Y angezogen,
so daß der Wecker W nicht eingeschaltet wird. Durchfließt dagegen ein ausreichend
hoher Gleichstrom die Steuerwicklung der Drosselspule Dr2, so bildet sie für die
über den Übertrager Ü1 eingespeiste Hilfswechselspannung einen Kurzschluß. Der Transistor
Tr 2 sperrt und .das Alarmrelais Y fällt ab und gibt damit durch seinen Ruhekontakt
y2 so lange Alarm, bis nach Abklingen des den Differenzierwiderstand R 1 durchfließenden
Gleichstroms der Transistor Tr wieder durchlässig ist und .durch die Taste Ta das
Alarmrelais Y wieder angeworfen wurde. Das Relais Y hält sich dann über seinen
Selbsthaltekontakt y 1 so lange, bis der Transistor Tr wieder sperrt.
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In F i g. 6 wird die Hilfswechselspannung der durch den Verstärker
V verstärkten Spannung der Brückenmeßdiagonale mit mittels des Übertragers ü3 entnommen.
Seine Primärwicklung I liegt in der Meßdiagonale mn, dadurch gelangt einmal durch
die Sekundärwicklung II die Alarmspannung über den Gleichrichter Grl an den Speicherkondensator
K1 mit einem dazu parallel liegenden Entladewiderstand R 5 und von da an die Differenzierschaltung
K 2, R 1 während von .der Sekundärwicklung III des übertragers Ü3 der aus einem
ohmschen Widerstand R6 und den antiparallelgeschalteten Richtleitern Gr5, Gr
6 gebildete Spannungsteiler gespeist wird. Damit entsteht an den antiparallelgeschalteten
Richtleitern Gr5, Gr6 eine trapezförmige Wechselspannung unterschiedlicher Steilheit
mit konstantem Scheitelwert, falls der kleinste im Betrieb vorkommende Scheitelwert,
der an der Sekundärwicklung 111 des Übertragers U3 abgegebenen Spannung etwa
doppelt so groß wie die Schwellwerte der antiparallelgeschalteten Richtleiter Gr
5, Gr 6 ist. Die Temperaturabhängigkeit dieser Trapezspannung ist
gering und nicht störend, weil die Vergleichsrichtleiter Gr 3, Gr 4 aus dem gleichen
Material bestehen, nämlich im allgemeinen Siliziumdioden sind. Diese antiparallelgeschalteten
Richtleiter Gr 5, Gr 6 liegen mit den Kondensatoren K1, K2 und dem
Widerstand R1 in Reihe. Da die Kondensatoren K1, K2 für Wechselstrom einen Kurzschluß
darstellen, liegt am Widerstand R IL sowohl die an den antiparallelgeschalteten
Richtleitern Gr 5, Gr 6 anstehende trapezförmige Hilfswechselspannung
als auch über den Differenzierkondensator K2 ein entsprechender Gleichstrom-Differenzierimpuls
unterschiedlicher Stromrichtung. Hier sind nämlich im Entladekreis des Differenzierkondensators
K2 keine Richtleiter vorgesehen.
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An deren Stelle treten die antiparallelgeschalteten Richtleiter Gr
3, Gr 4, von denen einer an den Anfang der Primärwicklung I und der
andere an das Ende der Primärwicklung 11 des Übertragers Ü 4 angeschlossen ist.
Je nach Polarität des durch den Entlade- oder Ladestoß bedingten Spannungsabfalles
von R1 (Differenzierimpulses) dient einer dieser Richtleiter Gr3, Gr4 als gleichstromgesteuerter
Wechselstromschalter. Die weitere Wirkungsweise der Schaltung ist ähnlich wie die
der in F i g.1 dargestellten Schaltung, nur wurde hier ein bei gesperrtem Transistor
Tr angezogenes Relais Y verwendet. Dieses löst den Alarm aus, wenn der Transistor
Tr leitend wird, also das Relais Y abfällt und mit seinem Ruhekontakt y den Wecker
W einschaltet.