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Dreipol-Schalteinheit mit zwei Transistoren
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleitereinrichtungen für die Signalumsetzung und betrifft insbesondere bistabile Kreise mit Transistoren.
Als bistabil wird ein Kreis bezeichnet, der zwei Gleichgewichtszustände aufweist und schnell von einem Gleichgewichtszustand in den andern gekippt werden kann. Transistoren, deren Stromvervielfachungsfaktor grösser als 1 ist. eignen sich gut für die Anwendung in solchen bistabilen Kreisen. Der Stromvervielfachungsfaktor et eines Transistors ist das Verhältnis von Kollektorstrom zu Emitterstrom des Transistors. Bei Anschaltung einer relativ hohen'Impedanz an die Basiselektrode eines Transistors, dessen Stromvervielfachungsfaktor grosser als 1 ist, wird im Eingang des Transistors eine Impedanz wirksam, die einen Bereich negativen Widerstandes aufweist. Solche Schaltungen mit einem Transistor und einer Basisimpedanz sind beispielsweise in der USA-Patentschrift Nr. 2, 629, 833 beschrieben.
Die Transistoren werden bekanntlich in zwei Klassen eingeteilt, nämlich in sogenannte Spitzentran- sistoren. für die Beispiele in der USA-Patentschrift Nr. 2, 524, 035 beschrieben sind, und in Flächentransistoren, für'die Beispiele in der USA-Patentschrift Nr. 2,569, 3. 17 beschrieben sind. Der Stromvervielfachungsfaktor ist bei den Spitzentransistoren grösser als 1, bei den Flächentransistoren hingegen kleiner als 1.
Die Transistoren beider Klassen werden auch hinsichtlich der Leitfähigkeitstype eingeteilt ; nach dieser Einteilung ist beispielsweise der NPN-Flächentransistor von entgegengesetzter Leitfähigkeitstype wie der PNP-Flächentransistor. Zwei Flächentransistoren entgegengesetzter Leitfähigkeitstype können nun so zusammengeschaltet werden, dass sie eine kombinierte Transistoreinheit bilden, deren Stromvervielfachungsfaktor grösser als 1 ist, so dass diese Einheit an Stelle 70n Spitzentransistoren in bistabilen Schaltkreisen verwendbar ist. Solche kombinierte Transistoreinheiten sind beispielsweise in der USA - Patentschrift Nr. 2, 655, 609 beschrieben.
Die Erfindung zielt allgemein darauf ab, eine verbesserte kombinierte Transistoreinheit dieser Art zu schaffen, deren Stromvervielfachungsfaktor grösser als 1 ist, so dass sie in Verbindung mit einer Basisimpedanz in einem bistabilen Kreis als negatives Widerstandselement verwendbar ist. Ferner befasst sich die Erfindung mit den Aufgaben, Schaltkreise mit Transistoren zu schaffen. die neuartige und bessere arbeiter kennlinien haben, relativ hohe, aber geregelte Stromvervielfachungsfaktoren und zugleich relativ kleine Leckströme und Verlustleistungen bei kombinierten Schalteinheiten mit Flächentransistoren zu erzielen und allgemein kombinierte Halbleitereinrichtungen dieser Art so auszubilden, dass ihr Stromvervielfachungsfaktor regelbar ist.
Die Erfindung geht von einer bekannten Transistorschaltung mit zwei Transistoren entgegengesetzter Leitfähigkeitstype aus, bei welcher die Basiselektrode eines jeden dieser Transistoren mit dem Kollektor des andern Transistors verbunden ist ; erfindungsgemäss wird eine solche Schaltung in der Weise zu einem Dreipol-Schaltkreis mit einem über l liegenden Stromvervielfachungsfaktor ergänzt, dass ein erster Anschluss zum Emitter des einen Transistors und ein zweiter Anschluss zur Basiselektrode dieses Transistors
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mit dem Emitter des zweiten Transistors verbundene Impedanz zu einem den beidenImpedanzen gemeinsamen dritten Anschluss geführt sind.
Ein Merkmal der Erfindung liegt also in der Vorsehung von zwei Impedanzen, die als Teile der kom-
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binierten Transistoreinheit wirken. Die beiden Impedanzen haben die Aufgabe, den resultierenden a-Wert zu regeln und die Leckströme herabzusetzen, damit die zulässigen a-Werte der Flächentransistoren, die in der kombinierten Einheit verwendet werden, keiner Beschränkung unterworfen sind.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt in der später noch erläuterten Einregelung des resultierenden a-Wertes der kombinierten Transistoreinheit und in der Verwendung dieser Einheit als negatives Widerstandselement in einem bistabilen Kreis.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung betrifft besondere Massnahmen in der kombinierten Transistoreinheit, die zur Verminderung des Einschaltintervalls eines damit aufgebauten bistabilen Kreises angewendet werden. Die Impedanz, welche die Ausgangsklemme der kombinierten Schalteinheit mit der Basiselektrode des einen Flächentransistors verbindet, enthält nämlich zu diesem Zweck eine Induktivität, die bewirkt, dass der resultierende Stromvervielfachungsfaktor der Einrichtung während des Einschaltvo. rganges vergrössert wird. Die starke, beim Einschaltvorgang wirksame Stiomvervielfachung führt zu relativ kurzen Einschaltintervallen.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung betrifft besondere Massnahmen zur Verminderung des Stromvervielfachungsfaktors beim Abschaltvorgang. Die bereits erwähnte Induktivität bewirkt nämlich auch. dass beim Abschaltvorgang ein Nebenschlussstrom aufrechterhalten wird, der den Stromvervielfachungsfaktor wirksam herabsetzt.
Weitere Ziele und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung hervor. Fig. 1 zeigt das Schaltbild einer kombinierten Transistoreinheit gemäss der Erfindung. Fig. 2 stellt eine Kurvenschar dar, welche die Arbeitsweise der erfindungsgemässen kombinierten Transistoreinheit erläutert, und Fig. 3 ist ein Schaltbild eines erfindungsgemässen bistabilen Transistorkreises.
Die in Fig. l dargestellte Dreipol-Schalteinheii enthält zweiflächentransistoren 10 und 11 entgegengesetzter Leitfähigkeitstype. Der Transistor 10 ist ein PNP-Flächentransistor mit einem Emitter 13, einem Kollektor 14 und einer Basiselektrode 15, wogegen der Transistor 11 ein NPN-Flächentransistor ist, dessen Emitter mit 16, dessen Kollektor mit ì7 und dessen Basiselektrode mit 18 bezeichnet ist. Die beiden Transistoren 10 und 11, die vorteilhaft im wesentlichen gleiche Kennlinien haben, ausgenommen natürlich den Unterschied hinsichtlich der Polarität, sind zwischen den drei Klemmen 21, 22,23 des Dreipols eingeschaltet.
Der Emitter 13 und die Basiselektrode 15 des Transistors 10 sind mit den Klemmen 21 bzw. 22 verbunden, während der Emitter 16 und die Basiselektrode 18 des zweiten Transistors 11 über ver- änderbare Widerstände 20 bzw. 19 mit der Klemme 23 verbunden sind.
Die Klemmen'21, 22 bzw. 23 fungieren als Emitter, Basiselektrode bzw. Kollektor der kombinierten Transistoreinheit nach Fig. l. Ein Beispiel für die äussere Schaltung der Dreipol-Klemmen 21,22 und 23 wird an Hand von Fig. 3 später beschrieben. Der resultierende Stromvervielfachungsfaktor bzw. das Verhältnis von Kollektorstrom (Strom durch die Klemme 23) zu Emitterstrom (Strom durch die Klemme 21) ist grösser als 1, obgleich die Stromvervielfachungsfaktoren der Flächentransistoren 10 und 11 für sich kleiner als 1 sind. Der resultierende Stromvervielfachungsfaktor der kombinierten Einheit nach Fig. l wird mit den veränderbaren Widerständen 19 und 20 eingeregelt.
Wenn der Widerstand 19 einen unendlich gro- ssen Wert hat, sein Kreis also unterbrochen ist, während der Widerstand 20 gleich Null, also kurzgeschlossen ist, so wird der Emitter 16 des NPN-Flächentransistors 11 funktionell zum Kollektor der kombinierten Einheit. Wenn die Widerstände 19 und 20 auf diese Weise eingeregelt sind, wirken sie sich in der kombinierten Einheit nicht aus.
Bei dieser Einregelung der Widerstände 19 und 20 bildet die kombinierte Einheit ein Äquivalent für einen Transistor, dessen Stromvervielfachungsfaktor Cl. durch die Beziehung
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Wenn die Widerstände 19 und 20, wie beschrieben, im Kreis nicht wirksam sind, ist der gesamte Leckstrom der kombinierten Schaltung gegeben durch die Beziehung
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(io) co (ii)vielfachungsfaktor des PNP-Transistors 10 kommt.
Da die Impedanz des Emitterüberganges des Transistors 11 bei hohen Stromwerte sehr klein ist, liegt in diesem Zustand imNebenschluss zum Widerstand 19 eine sehr kleine Impedanz, wenn der Widerstand 20 so eingestellt wird, dass er zwischen dem Emitter 16 und der Klemme 23 einen Kurzschluss herbeiführt.
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mussStromwerten im Hinblick auf die Auswirkungen der Leckströme, sondern auch bei hohen Stromwerten im Hinblick auf den Betrag der erforderlichen Rückstellströme beschränkt werden. Der Widerstand 20 hat die Aufgabe, den Maximalwert : des resultierenden Stromvervielfachungsfaktors bei den hohen Stromwerten festzulegen.
Dies besorgt der Widerstand 20 dadurch, dass er in den Emitterkreis des Transistors 11 eine Impedanz einführt, die parallel zu dem Stromweg über den Widerstand 19 liegt. Ein Teil der Kollektorströme der Transistoren 10 und 11 fliesst daher sowohl bei den hohen als auch bei den niedrigen Strom-. werten im Nebenschluss über den Widerstand 19. Trotz des Widerstandes20 ist der Prozentsatz der kollek- torströme, die bei den hohen Stromwerten im Nebenschluss über den Widerstand 19 fliesst, noch kleiner als der bei den niedrigen Stromwerten über den Widerstand 19 imNebenschluss fliessende Prozentsatz, weil sich die Impedanz des Emitterüberganges des Transistors 11 ändert.
Der Widerstand 20 legt nicht nur den Maximalwert des resultierenden Stromvervielfachungsfaktors bei den hohen Stromwerten fest, sondern unterstützt auch die Vermifderung der Leckströme. Die zusatz- liche Impedanz im Emitterkreis des Transistors 11 bewirkt nämlich, dass ein grösserer Prozentsatz der Kollektorströme der Transistoren 10 und 11 über den Widerstand 19 fliesst. Bei relativ hohen Temperaturen
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Widerstand 20 üBt somit auch die wichtige Funktion aus, die Leckströme bei relativ hohen Umgebungtemperaturen niedrig zu halten.
Die gesamte Verlustleistung der kombinierten Einheit ist sehr Mein weil über die hohen Widerstände in den Basiskreisen der Transistoren 10 und 11 nur sehr schwache Ströme fliessen. Wenn die Widerstände 19 und 20 in die kombinierte Einheit einbezogen werden, ist die Verlustleistung sowohl bei den niedrigen Stromwerten als auch bei den hohen Stromwerte und während der Umschaltintervalle kleiner als sonst.
Diese Verminderung der Verlustleistung beruht darauf, dass ein Teil des Stromes, der normalerweise über die Basiselektrode 15 oder die Basiselektrode 18 verlaufen würde, im Nebenschluss über den Widerstand 19 fliesst.
Die kombinierte Einheit nach Fig. 1 kann in einem bistabilen Schaltkreis gemäss Fig. 3 verwendet werden. Die in Fig. 3 mit 21,22 und 23 bezeichneten Klemmen entsprechen den gleich bezeichneten Klemmen in Fig. 1. Die kombinierte Einheit, die in Fig. 3 zwischen den Klemmen 21, 22 und 23 liegt, stellt eine Abänderung der an Hand der Fig. 1 erläuterten Einheit dar. Wenn eine kombinierte Einheit nach Fig. 1 in dem bistabilen Kreis nach Fig. 3 verwendet wird, zeigt dieser eine Kennlinie negativen Widerstandes gemäss Fig. 2.
Die Kennlinie nach Fig. 2 hat einen Bereich H positiven Widerstandes, in dem nur ein schwacher Strom fliesst, einen Bereich A negativen Widerstandes und einen anschliessenden Bereich D positiven Widerstandes, in dem ein starker Strom fliesst. Die Kurven B und C stellen die durch Einregelung der Widerstände 19 und 20, möglichen Änderungen des Bereiches negativen Widerstandes dar. Der bistabile Kreis nach Fig. 3 hat zwei Gleichgewichtszustände, nämlich einen im Punkt G im Bereich A positiven Widerstandes und schwachen Stromes und einen weiteren im Punkt E im Bereich D positiven Widerstandes und star1, en Stromes. Die Punkte G und E liegen auf der emitterseitigen Lastkennlinie J, welche die Kennlinie mit dem negativen Widerstandsbereich in den Punkten G, K und E schneidet.
Die Kennlinie mit dem negativen Widerstandsbereich unterscheidet sich von den normalerweise mit Transistoren erzielbaren Kennlinien mit negativen Widerstandsbereichen insofeme, als sie im Bereich A bei den schwachen Emitterströ- men nahezu horizontal verläuft. Der negative Widerstandsbereich A ist für schwache Emitterströme deshalb nahezu horizontal, weil die kombinierte Einheit bei den niedrigen Stromwerten einen sehr kleinen Stromvervielfachungsfaktor hat.
Der Auswirkung des kleinen Stromvervielfachungsfaktors bei niedrigen Stromwerten bzw. des horizontalen Teiles der Kennlinie liegt in einer Verminderung der Einschaltemp-
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an Stelle des Widerstandes 19 im Nebenschlussweg für die Kollektorströme der Transistoren 10 und 11 diese Verminderung der Einschaltempfindlichkeit kompensiert werden ; es ergibt sich dann ein negativer Widerstandsbereich, der in Fig. 2 durch die strichlierte KurveF und einen Teil der Kurve A angegeben wird.
Die kombinierte Einheit nach Fig. 3 ist ähnlich der in Fig. 1 dargestellten, nur dass mit 19 ein einstellbarer zusammengesetzter Kreis an Stelle eines einfachen veränderbaren Widerstandes bezeichnet ist. Die Basiselektrode 18 des Transistors 11 ist über eine Induktivität 26 und einen veränderbaren Widerstand.
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27 mit der Klemme 23 verbunden. Die Serienschaltung aus Induktivität 26 und wirksamem Widerstand 27 ist von einem Widerstand 28 überbrückt. Die Induktivität 26 verbessert die Einschaltempfindlichkeit. indem sie den resultierenden Stromvervielfachungsfaktor während des Einschaltvorganges relativ hoch macht. Während des Einschaltvorganges stellt nämlich die Induktivität 26 eine hohe Impedanz dar, so dass ein wesentlich grösserer Prozentsatz der Kollektorströme der Transistoren 10 und 11 im Transistor 11 verstärkt wird und daher nur ein schwacher Eingangsstrom erforderlich ist, um den bistabilen'Schaltkreis zu kippen. Sobald der Einschaltvorgang abgeklungen ist, bietet die Induktivität 26 wieder eine niedrige Impedanz dar, so dass ein grösserer Prozentsatz der Kollektorströme im Nebenschluss am Transistor 11 vorbeigeleitet wird.
Auf diese Weise bewirkt die Induktivität 26 eine Vergrösserung des resultierenden a-Wertes der Einheit während des kippenden Einschaltvorganges und sie vermindert dadurch das Einschaltintervall.
Es ist von Bedeutung, den Stromvervielfachungsfaktor der kombinierten Einheit während der Einschaltvorgänge relativ hoch zu machen, um das Zeitintervall, das für die Umschaltung der kombinierten Einheit von dem einen Gleichgewichtszustand in den andern benötigt wird, herabzusetzen. Der Widerstand 28 dient dem zweifachen Zweck der Dämpfung der Einschaltvorgänge, die an der Induktivität 26 auftreten, und der Begrenzung des resultierenden Stromvervielfachungsfaktors während der Einschaltvorgänge. Diese letztere Vorkehrung ist notwendig, um zu verhindern, dass der bistabile'Kreis so empfindlich wird, dass er schon bei Störinduktionen kippt.
Die Induktivität 26 beeinflusst im stationären Zustand der Einheit den Stromvervielfachungsfaktor nicht. Der für die Leckströme wirksame Stromvervielfachungsfaktor bleibt daher auf einem niedrigen Wert.
Der bistabile Schaltkreis nach Fig. 3 wird durch einen Eingangsimpuls gekippt, der über eine Eingangsklemme 30 und einen Kopplungskondensator 31 an die Klemme 21 der kombinierten Einheit ange-
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Der Vorspannungskreis enthält eine Potentialquelle 35 für +6 Volt, die über einen Basiswiderstand 25 mit der Klemme 22 der kombinierten Einheit verbunden ist. Der. Emitter 13 des Transistors 10 wird durch den Vorspannungskreis normalerweise in bezug auf die Basis 15 dieses Transistors um 6 Volt in Sperrichtung vorgespannt. Die Eingangsimpulse müssen also stärker als 6 Volt sein, um diese Vorspannung zu überwinden und den bistabilen Schaltkreis vom Zustand niedrigen Stromes in den Zustand hohen Stromes zu kippen.
Die Rückstellimpulse werden dem bistabilen Schaltkreis an einer Klemme 37 zugeführt und gelangen über einen Kopplungskondensator 38 und einen Varistor 39 an die Klemme 22 der kombinierten Einheit.
Der Varistor 39 ist auf der einen Seite über einen Widerstand 40 mit Erde und auf der andern Seite über den Widerstand 25 mit dem +6 Volt-Potential der Quelle 35 verbunden und so angeordnet, dass er in Sperrichtung vorgespannt wird, wenn sich der'Schaltkreis im Gleichgewichtszustand niedrigen Stromes befindet.
Die Induktivität 26 hat auch die Aufgabe, den resultierenden Stromvervielfachungsfaktor während der Ausschaltintervalle herabzusetzenindemsie denNebenschlussstrom über den regelbaren Kreis 19 vor- übergehend aufrechterhält. Es übt also die Induktivität die zweifache Funktion aus, den Stromvervielfachungsfaktor einerseits während der Einschaltintervalle zu erhöhen und anderseits während der Ausschaltintervalle zu vermindern. Die Verminderung des Stromvervielfachungsfaktors während der Ausschaltin-
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kreises.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind folgende Werte für die einzelnen Schaltelemente verwendet worden :
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<tb>
<tb> Transistor <SEP> 10 <SEP> : <SEP> W. <SEP> E. <SEP> 1868, <SEP> cl <SEP> =-0, <SEP> 99 <SEP>
<tb> Transistor <SEP> 11 <SEP> : <SEP> W. <SEP> E. <SEP> 1853, <SEP> a <SEP> = <SEP> 0, <SEP> 99 <SEP>
<tb> Widerstand <SEP> 20 <SEP> : <SEP> eingestellt <SEP> auf <SEP> 20 <SEP> Ohm
<tb> Widerstand <SEP> 25 <SEP> : <SEP> 3000 <SEP> Ohm
<tb> Induktivität <SEP> 26 <SEP> : <SEP> 300 <SEP> Mikrohenry
<tb> Widerstand <SEP> 27 <SEP> : <SEP> eingestellt <SEP> auf <SEP> 60 <SEP> Ohm
<tb> Widerstand <SEP> 28 <SEP> : <SEP> 500 <SEP> Ohm
<tb> Kapazität <SEP> 31 <SEP> : <SEP> 0, <SEP> 01 <SEP> Mikrofarad
<tb> Widerstand <SEP> 34 <SEP> : <SEP> 51000 <SEP> Ohm
<tb> Batterie <SEP> 35 <SEP> :
<SEP> 6 <SEP> Volt
<tb>
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<tb>
<tb> Kapazität <SEP> 38 <SEP> : <SEP> 0, <SEP> 05 <SEP> Mikrofarad <SEP>
<tb> Widerstand <SEP> 40 <SEP> : <SEP> 10000 <SEP> Ohm
<tb> Widerstand <SEP> 41 <SEP> :. <SEP> 1600 <SEP> Ohm
<tb> Batterie <SEP> 42 <SEP> : <SEP> 16 <SEP> Volt
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Bei der angegebenen Bemessung der Schaltelemente hat die kombinierte Einheit im Zustand niedrigen Stromes, im Zustand hohen Stromes bzw. während der Umschaltung des bistabilen Schaltkreises Stromvervielfachungsfaktoren von 1, 03, 3 bzw. 10.
Wenn die veränderbaren Widerstände 19 und 20 auf die angegebenen Werte eingestellt sind, ist die Verlustleistung in den Transistoren 10 und 11 ungefähr gleich 1/4 jener Verlustleistung, die in den Transistoren 10 und 11 bei Fehlen der Widerstande 19 und 20 in der Schaltung auftreten würde. Mit andern Worten erniedrigen die Widerstände 19 und 20 erheblich die Verlustleistungen in den Transistoren 10 und 11.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Dreipol-Schaltkreis mit zwei Transistoren entgegengesetzter Leitfähigkeitstype, bei dem die Basiselektrode eines jeden dieser Transistoren mit dem Kollektor des andern Transistors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Anschluss (21) zum Emitter (13) des einen Transistors (10) und ein zweiter Anschluss (22) zur Basiselektrode (15) dieses Transistors (lú) vorgesehen ist und dass eine mit der Basiselektrode (18) des zweiten Transistors (11) verbundene Impedanz (19) und eine mit dem Emitter (16) des zweiten Transistors (11) verbundene Impedanz (20) zu einem den beiden Impedanzen (19, 20) ge- meinsamen dritten Anschluss (23) geführt sind.