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Schaltungsanordnung zum Ein- bzw. Ausschalten oder Umpolen eines Ausgangsgleichstromes
mittels kurzer Eingangsimpulse Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zum Ein- bzw. Ausschalten oder Umpolen eines Ausgangsgleichstromes mittels kurzer
Eingangsimpulse, insbesondere zur Tastung von Gleichstromtelegrafiezeichen in Fernwirk-
oder Telegrafiegeräten, mit einem Transistoroszillator, der durch eine Vorspannung
am spontanen Anschwingen gehindert und als Oszillator mit induktiver Rückkopplung
ausgebildet ist, und wenigstens einem von der gleichgerichteten Oszillatorausgangsspannung
betätigbaren, in den zu schaltenden Gleichstromkreis eingefügten elektronischen
Schalter.
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Die Fernmeldetechnik benötigt Anordnungen, die in der Lage sind, z.
B. von Magnetkernen abgegebene Impulse von einigen Mikrosekunden Dauer in Doppelstromzeichen
umzuwandeln, die dann die üblichen WT-Einrichtungen steuern können.
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Es sind bereits Schaltungen bekannt, die kurze Impulse in Doppelstromzeichen
umwandeln können. Zum Beispiel kann eine bistabile Kippstufe mit angeschlossenem
Gegentaktschaltverstärker durch kurze Impulse von der einen stabilen Lage in die
andere umgeschaltet werden. Um den Steuerkreis, also den von den kurzen Schaltimpulsen
durchlaufenen Strompfad, vom Ausgangskreis galvanisch zu trennen, was weiter häufig
von derartigen Schaltungsanordnungen gefordert wird, muß dieser Kippstufe ein Impulsübertrager
vorgeschaltet werden. Zu diesem Zweck ist auch eine Anordnung bekannt, bei der mit
der Ausgangsspannung der Kippschaltung eine Trägerspannung amplituden- oder phasenmoduliert
und mittels eines tibertragers einer Demodulatorschaltung zugeführt wird, in der
dann die Steuerspannungen für den Schaltverstärker gewonnen werden. Diese Schaltungen
sind jedoch relativ aufwendig.
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Weiter ist aus der deutschen Auslegeschrift 1055 590 eine Transistorschaltanordnung
zur wahlweisen Verbindung einer Last mit verschiedenen Potentialen bekanntgeworden.
Der Auslegeschrift ist jedoch im wesentlichen nur entnehmbar, wie etwa eine Last
über Schalttransistoren an unterschiedliche Potentiale angeschlossen werden kann
und daß die Schalttransistoren durch Schaltimpulse bezüglich ihres Durchgangswiderstandes
beeinflußbar sein sollen und die Schaltimpulse durch Gleichrichtung aus einer modulierten
Wechselspannung abgeleitet sind, deren Modulationswellenform der Wellenform der
erforderlichen Schaltimpulse entspricht. über eine besondere Ausbildung des Oszillators,
der diese Wechselspannung erzeugt, ist in der genannten Auslegeschrift nichts ausgesagt.
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Ferner ist aus der deutschen Auslegeschrift 1117 168 eine Transistorrelaisschaltung
bekannt, bei der der Wechselstromgenerator einen in Basisschaltung arbeitenden Transistor
enthält, der gleichzeitig Bestandteil einer aus zwei emittergekoppelten Transistoren
bestehenden, auf eine Schwellspannung ansprechenden Kippschaltung ist, welche die
Tastspannung für den Wechselstromgenerator liefert. Diese Transistorrelaisschaltung
ist offensichtlich nicht dazu geeignet, Eingangsimpulse nur kurzer Dauer derart
zu verarbeiten, daß durch diese jeweils der Oszillator z. B. zunächst in den Schwingzustand
versetzt wird und so lange in diesem verharrt, bis er durch einen weiteren kurzen
Eingangsimpuls wieder in den Ruhezustand zurückgeführt wird und wiederum bis zu
einem erneuten Anschwingen in diesem Zustand verbleibt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein rein elektronisch arbeitendes Doppelstromtastgerät
zu schaffen, das insbesondere zur Umwandlung kurzer Stromimpulse in Doppelstromzeichen
geeignet ist und bei dem auf möglichst einfache Weise Eingangskreis und Ausgangskreis
galvanisch voneinander getrennt sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung
so ausgebildet, daß der Oszillatoreingangskreis, der Oszillatorausgangskreis und
der Eingangskreis des bzw. der Schalter jeweils galvanisch voneinander getrennte,
auf einem gemeinsamen übertragerkern angeordnete Wicklungere
aufweisen
und als übertragerkern ein Kern mit im wesentlichen rechteckiger Hystereseschleife
verwendet ist, daß ferner die dem Oszillatoreingangskreis zuzuführenden Eingangsimpulse
nach Polarität und/oder Pulsform derart bemessen sind, daß ein sogenannter Startimpuls
dem Oszillator eine zum Anschwingen ausreichende Energiemenge zuführt und daß ein
sogenannter Stop-Impuls eine zur Stillsetzung des Oszillators ausreichende zeitliche
Länge aufweist.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, daß Start- und Stop-Impuls verschiedenen
Eingängen der Oszillatorschaltung zugeführt werden oder daß Start- und Stop-Impuls
verschiedene Polarität und/oder Impulsform besitzen und auf den gleichen Eingang
der Oszillatorschaltung einwirken.
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Als Oszillator kann dabei sowohl ein Eintaktoszillator mit transformatorischer
Rückkopplung, der im C -Betrieb arbeitet und dessen Transistor also so vorgespannt
ist, daß der Oszillator im gelöschten Zustand keinen Strom aufnimmt, oder ein Gegentaktoszillator
verwendet werden, der ebenfalls im C-Betrieb arbeitet und dessen Transistoren daher
so vorgespannt sind, daß der Oszillator im gelöschten Zustand keinen Strom aufnimmt.
Insbesondere ist dabei vorgesehen, daß die Eingangsimpulse dem Basiskreis des Oszillatortransistors
zugeführt werden. Die Stromaufnahme der Schaltungsanordnung ist daher sehr gering.
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Die Erfindung sieht weiter vor, daß die Eingangsimpulse auf zwei Wicklungen
eines Oszillatorübertragers derart einwirken, daß dem Übertrager durch einen Start-Impuls
Energie zugeführt wird und durch einen Stop-Impuls dem Übertrager die gesamte Schwingenergie
dadurch entzogen wird, daß der Stop-Impuls über eine Diodenschaltung eine Differentialwicklung
des Übertragers kurzschließt, und daß der Stop-Impuls so bemessen ist, daß er durch
magnetische Sättigung des Rückkoppelübertragers die Schwingung des Oszillators abreißen
läßt und durch langsames Abmagnetisieren ein erneutes Anfachen der Schwingung verhindert,
wodurch auf einfache Weise die Umsetzung kurzer Eingangsimpulse in Dauerzeichen
bewirkt wird.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß ausgangsseitig
zwei Gleichstromquellen nach Art einer Brückenschaltung über jeweils einen elektronischen
Ausgangsschalter einen im Querzweig liegenden Verbraucherwiderstand in der Weise
speisen, daß bei schwingendem Oszillator der erste Schalter geöffnet und der zweite
Schalter geschlossen, bei gelöschtem Oszillator der zweite Schalter geöffnet und
der erste Schalter geschlossen ist und daß sich dabei jeweils die Stromrichtung
im Verbraucherwiderstand umkehrt; insbesondere, daß die Ausgangsschalter jeweils
aus einem Schalttransistor oder jeweils aus einer Reihenschaltung mehrerer Schalttransistoren
bestehen, die aus den die Ausgangsschalter speisenden Stromquellen derart vorgespannt
sind, daß der den ersten Schalter bildende Transistor oder die Reihenschaltung aus
mehreren Transistoren bei gelöschtem Oszillatoer durchlässig ist und der den zweiten
Schalter bildende Transistor oder die Reihenschaltung aus mehreren Transistoren
gesperrt ist und sich dieser Zustand bei schwingendem Oszillator umkehrt. Als besonders
vorteilhaft wird vorgeschlagen, daß zur Bildung der Ausgangsschalter vier Transistoren
in einer Brücke und in dem einen Querzweig der Brücke der Verbraucherwiderstand,
in dem anderen Querzweig eine Gleichspannungsquelle angeordnet sind und die Transistoren
aus der Gleichspannungsquelle so vorgespannt sind, daß bei gelöschtem Oszillator
jeweils zwei in der Brücke gegenüberliegende Transistoren gesperrt und zwei Transistoren
durchlässig sind und bei schwingendem Oszillator die Transistoren durch jeweils
aus getrennten Wicklungen entnommenen und gleichgerichteten Oszillatorwechselspannungen
so gesteuert werden, daß die bei gelöschtem Oszillator gesperrten Transistoren leitend
und die bei gelöschtem Oszillator leitenden Transistoren gesperrt werden.
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Um hohe Schaltfolgen zu erreichen, ist vorgesehen, daß in die Ausgangsschalter
zur Versteilerung der Impulsflanken des geschalteten Gleichstromes Rückkopplungskondensatoren
eingefürt sind.
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Mit der Schaltungsanordnung lassen sich daher Umpolzeiten von etwa
3 Mikrosekunden erreichen, was bedeutet, daß die Schaltungsanordnung Schrittgeschwindigkeiten
bis 10 000 Bd bei weniger als 5 @/o Verzerrung zuläßt.
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Gegenüber den bekannten Schaltungsanordnungen weist die Schaltungsanordnung
nach der Erfindung den besonderen Vorteil auf, daß sie nur einen sehr geringen schaltungstechnischen
Aufwand erfordert, weil eine annähernd rechteckförmige Hystereseschleife des Rückkoppelübertragerkernes
des induktiv rückgekoppelten Oszillators in besonders einfacher Weise den Ruhezustand
des Oszillators zu stabilisieren gestattet und damit verhindert, daß der Oszillator
infolge üblicherweise auftretender Störungen anschwingt. Ein Anschwingen kann nun
nur durch einen geeignet bemessenen Eingangsimpuls erfolgen, und der Schwingungszustand
wird durch einen sogenannten Stop-Impuls wieder unterbrochen. Der Oszillator nimmt
zudem im Ruhezustand nahezu keinen Strom auf. Außerdem kann die Schaltungsanordnung
eingangs- wie ausgangsseitig potentialfrei gehalten werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus einem
an Hand dreier Figuren näher erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung.
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Das Prinzip der Schaltungsanordnung ist aus F i g.1 zu ersehen. Verwendet
wird nur ein Oszillator, der wie ein Speicher arbeitet, d. h., er wird durch einen
kurzen, einem Start-Eingang Z zugeführten Start-Impuls zum Schwingen gebracht und
durch einen kurzen, einem Stop-Eingang T angegelegten Stop-Impuls wieder gelöscht.
Die Schwingspannung des Oszillators steuert zwei elektronische Ausgangsschalter.
Diese liegen im Ausgangskreis der Schaltungsanordnung, der vom Schaltungspunkt
-TB über den einen Schalter SZ, den Verbraucherwiderstand RL zum Schaltungspunkt
MTB einerseits und vom Schaltungspunkt MTB über den Verbraucherwiderstand RL und
den anderen Schalter ST zum Schaltungspunkt + TB andererseits führt. Im Ruhezustand
der Schaltungsanordnung ist der elektronische Schalter SZ gesperrt und der elektronische
Schalter ST leitend. Diese Schalterstellungen werden dabei durch Vorspannungen fixiert,
die der zwischen den Schaltungspunkten -TB und + TB angeordneten Batterie,
deren Mittelabgriff mit dem Schaltungspunkt MTB verbunden ist, entnommen werden.
Wird der Oszillator O durch einen dem Start-Eingang Z zugeführten Start-Impuls angestoßen,
dann gelangt die Oszillatorwechselspannung an die beiden
Dioden
1, 2. Die Dioden liefern dann an die beiden Schalter SZ, ST Spannungen, die
eine zu den jeweiligen Vorspannungen entgegengesetzte Polarität haben. Daher leitet
nun der Schalter SZ, solange der Oszillator schwingt, und der Schalter
ST ist solange gesperrt. Im Verbraucherwiderstand RL, der im Ruhezustand
der Schaltungsanordnung von einem von dem Schaltungspunkt + TB zum Schaltungspunkt
MTB gerichteten Strom durchflossen wird, kehrt sich, solange der Oszillator schwingt,
die Stromrichtung um, er fließt nun vom Schaltungspunkt MTB zum Schaltungspunkt
-TB.
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Eine bevorzugte Ausführung der Schaltung zeigt F i g. 2. Damit der
Oszillator, der aus dem Transistor T 1, den Widerständen R 1, R 2, R 3, dem Kondensator
C1, der Diode G1 und den beiden Spulen W 2 und W 3 besteht, nicht
von selbst anschwingt, ist der Oszillatortransistor T1 durch eine Spannungsschwelle
gesperrt. Diese Spannungsschwelle bildet sich an der Diode G 1 infolge des Stromes,
der von Masse über diese Diode und den Widerstand R 2 zum Schaltungspunkt
-UB fließt. Der Widerstand R 3 dient zur Begrenzung der Oszillatorwechselspannung.
Um die Bedämpfung des Oszillatorschwingkreises C 1, W 3 durch die Emitter-Basis-Strecke
des Transistors T 1 zu verringern, ist der Widerstand R 1
in die Basiszuleitung
des Transistors eingefügt. Die Widerstände R 1 und R 3 wirken zudem auch strombegrenzend.
Der Oszillator kann über zwei getrennte Wicklungen W l, W 4 angesteuert werden.
Wird z. B. die Wicklung W 1 des Übertragers IU, die mit den Wicklungen
W 2 und W 3 des Oszillators und der Wicklung W 4 auf einem gemeinsamen
Kern angeordnet ist, infolge eines dem Schaltungspunkt 6, dem Start-Eingang, zugeführten
kurzen Start-Impulses von etwa 10 Mikrosekunden Dauer von einem Stromstoß durchflossen,
so beginnt der Oszillator zu schwingen, weil dieser Stromstoß so viel Energie in
den Übertrager einspeichert, daß die dabei in die Wicklung W 2 induzierte Spannung
die den Oszillatortransistor sperrende Spannungsschwelle überwinden kann. Ein dem
Schaltungspunkt 7, dem Stop-Eingang zugeführter Stop-Impuls von etwa 10 Mikrosekunden
Dauer bewirkt, daß die beiden Dioden 8 und 9 leitend werden, wodurch die Wicklung
W4 zu einer Kurzschlußwicklung wird, in der die Schwingenenergie des Oszillators
verbraucht und daher der Oszillator gelöscht wird. Ausgangsseitig weist der Übertrager
ü zwei weitere, ebenfalls auf dem gleichen Kern sitzende Wicklungen W 5 und W 6
auf, die zur Auskopplung der Ausgangswechselspannung des Oszillators dienen. Den
Enden dieser beiden Wicklungen sind jeweils Dioden 10, 11 bzw. 12, 13 nachgeschaltet,
die jeweils die an den Wicklungsenden anstehende Oszillatorwechselspannung gleichrichten.
Jede dieser Spannungen gelangt über entsprechende Siebglieder, die einerseits aus
dem Kondensator C2, dem Widerstand R4, andererseits aus den Kondensatoren C 3 und
C 4 und den Widerständen R 6 und R7 bestehen, jeweils an den Basisanschluß eines
Schalttransistors. Bei gelöschtem Oszillator ist der Transistor T 2 gesperrt
und der Transistor T 3 durchlässig. Die Sperrspannung für den Transistor
T2 wird an der Diode G2 gewonnen. Sie entsteht durch einen Strom, der vom Schaltungspunkt
-TB über den Widerstand R11, die Diode G2 und den Widerstand RL zum Schaltungspunkt
MTB fließt. Der Widerstand R 5 dient dabei dazu, das Potential des Fußpunktes der
Diode G2 der Basis des Transistors T2 zuzuführen.
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Der Strom, der den Transistor T3 in durchlässigem Zustand hält, fließt
vom Schaltungspunkt + TB
über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors T3
und den Widerstand R9 zum Schaltungspunkt -TB.
Die Widerstände R 6 und R 7
verhindern, daß die deshalb an dem Transistor T3 vorhandene Basis-Emitter-Spannung
einen zu großen Strom durch die Dioden 12 und 13 treibt und damit den Übertrager
1~l' in unzulässiger Weise bedämpft. Sie bilden gleichzeitig zusammen mit den Kondensatoren
C3 und C4 Siebglieder, wobei die Kettenschaltung zweier Siebglieder den Vorteil
hat, daß trotz des relativ hohen Wertes von R 9 sehr bald nach dem Löschen des Oszillators
wieder der den Transistor T3 im gesättigten Zustand haltende Strom fließen kann.
Die Kollektorkreise der Transistoren enthalten die Widerstände R 8 bzw. R 10. Diese
begrenzen die Kollektorströme während des jeweiligen Umschaltens. Außerdem schützen
sie die Transistoren, wenn der Ausgang der Schalter kurzgeschlossen wird. Die Kondensatoren
C 5 und C 6 verbinden als Rückkopplungskondensatoren jeweils den Kollektor des einen
mit der Basis des anderen Transistors. Damit wird erreicht, daß die Schaltungsanordnung
in 1 bis 3 Mikrosekunden umschalten kann. Der Verbraucherwiderstand RL ist mit einem
Kondensator C 7 überbrückt, um zu verhindern, daß er die Rückkopplung zu stark beeinflußt.
Schwingt der Oszillator infolge eines dem Start-Eingang 6 zugeführten Start-Impulses,
so steuern die aus den Übertragerwicklungen W 5 bzw. W 6
gewonnenen
Gleichspannungen den bisher gesperrten Transistor T2 in den leitenden und den bisher
leitenden Transistor T3 in den gesperrte Zustand. Der Strom im Verbraucherwiderstand
RL, der zunächst die Richtung vom Schaltungspunkt +TB über den Transistor
T 3 zum Schaltungspunkt MTB hatte, kehrt daher nun seine Richtung solange
um, solange der Oszillator schwingt.
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Die Transistoren T 2 bzw. T3, die zum Schalten bzw.
Umpolen des den Verbraucherwiderstand durchfließenden Ausgangsgleichstromes dienen,
können auch durch jeweils eine Reihenschaltung mehrerer Transistoren ersetzt werden,
um z. B. auch höhere Ausgangsgleichspannungen schalten zu können.
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Außerdem können die Ausgangsschalter auch so ausgeführt sein, daß
vier Transistoren eine Brücke bilden, in deren einem Querzweig dann der Verbraucherwiderstand
RL angeordnet ist, während eine Gleichspannungsquelle den anderen Querzweig bildet.
Die Transistoren sind dabei aus der Gleichspannungsquelle so vorgespannt, daß bei
gelöschtem Oszillator jeweils zwei in der Brücke gegenüberliegende Transistoren
gesperrt und zwei Transistoren niederohmig sind. Bei schwingendem Oszillator werden
dann die bei gelöschtem Oszillator leitenden Transistoren gesperrt. In diesem Fall
benötigt man keine Stromquelle mit Mittelabgriff MTB.
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Ferner kann der in der Schaltungsanordnung verwendete Oszillator auch
als Gegentaktoszillator ausgeführt sein. Die Spannungsschwelle, die in der Eintakt-
oder Gegentaktoszillatorschaltung die Oszillatortransistoren in gelöschtem Zustand
hält, ist so bemessen, daß der Oszillator in gelöschtem Zustand keinen Strom aufnimmt.
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Kann auf die galvanische Trennung der von den Eingangssteuerimpulsen
durchlaufenen Kreise von
der Oszillatorschaltung verzichtet werden,
so kann der Oszillator auch so ausgeführt werden (vgl. F i g. 3), daß die Rückkopplungswicklung
W 7 in den Emitterkreis des Oszillatortransistors gelegt wird und von der Basis
dieses Transistors ein RC-Glied 15, 16 gegen Masse geschaltet wird, an der sich
bei schwingendem Oszillator eine positive strombegrenzende Spannung aufbaut. Der
Start-Eingang ist durch den Kondensator 17 gegen die Basis des Transistors abgeblockt.
Ein negativer Impuls, der diesem Eingang zugeführt wird, läßt das Basispotential
kurzzeitig gegen das Potential des Emitters negativ werden und damit den Oszillator
anschwingen. Das selbständige Anschwingen des Oszillators wird dabei dadurch verhindert,
daß für den übertragerkern Material mit rechteckförmiger Hystereseschleife verwendet
wird.
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Die Schwingung bleibt infolge der kräftigen Rückkopplung trotz der
Emittergegenspannung erhalten. Soll der Oszillator stillgesetzt werden, so muß der
Basis des Oszillatortransistors über den Stop-Eingang 18, in dem die Diode 19 angeordnet
ist, ein positiver Impuls zugeführt werden. Dieser sperrt den Transistor, wobei
jedoch beachtet werden muß, daß die Zeitkontstante des RC-Gliedes 15, 16 so groß
bemessen wird, daß der Transistor so lange durch diesen dem Stop-Eingang zugeführten
Impuls im gesperrten Zustand gehalten wird, bis die im Kollektorschwingkreis gespeicherte
Energie abgeklungen ist.