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Transistor-Kippschaltung
Die Erfindung betrifft eine Transistor-Kippschaltung nach Eccles-Jordan mit Parallelrückkopplung zwischen Ausgangs- und Eingangsstufe sowie mit einem dem Steuereingang der letzteren vorgeschalteten nichtlinearen Widerstand. Die sogenannten Kippschaltungen nach Eccles-Jordan haben bekanntlich eine Kipp-Kennlinie vom Typ N-also eine Dynatron-Kennlinie.
Bei derartigen Kippschaltungen lassen sich die zum Kippen mindestens erforderlichen, am Steuereingang wirksamen Steuerspannungen-die sogenannten Schwellenspannungen-und deren Differenzdie Schalthysterese-stark herabsetzen, wenn dem Steuereingang ein nichtlinearer Reihenwiderstand vorgeschaltet wird, der ein in Durchlassrichtung gepolter Richtleiter-wie z. B. eine Gleichrichterdiode-oder auch die Emitter-Basis-Strecke eines Transistors sein kann ; obwohl bei dieser Anordnung der nichtlineare Widerstand nicht als aktives Schaltungselement arbeiten kann, wird infolge der statischen Spannungskompensation eine wesentliche Steigerung der Empfindlichkeit erreicht. Der nichtlineare Widerstand und der Transistor der Eingangsstufe bestehen zweckmässig aus Werkstoffen mit gleichen od. ähnl.
Temperaturkoeffizienten, wodurch eine fast vollständige Kompensation der Temperaturdrift erzielt wird. Weiters darf die Eingangsstufe der Kippschaltung in keinem ihrer beiden möglichen Schaltzustände vollständig gesperrt werden, so dass also der Transistor der Eingangsstufe stets einen gewissen Basisstrom bzw. Kollektorstrom führt. Die bei solchen Kippschaltungen am Steuereingang anliegende Steuerspannung verursacht im Eingangskreis einen Steuerstrom ; in vielen Fällen von Kippschaltungen mit besonders kleiner Schalthysterese stehen jedoch nur sehr geringe Steuerleistungen zur Verfügung, so dass zusätzlich ein Leistungs-Vorverstärker verwendet werden muss-mit allen zugehörigen Komplikationen.
Nach der Erfindung werden nun Transistor-Kippschaltungen nach Eccles-Jordan der eingangs beschriebenen Bauart derart vorteilhaft ausgebildet, dass der dem Steuereingang der Eingangsstufe vorgeschaltete nichtlineare Widerstand eine zur Eingangsstufe komplementäre Transistoranordnung istu. zw. vorzugsweise ein Verbundtransistor.
Diese Transistoranordnung kann nun zweckmässig aus mindestens einem Flächentransistor oder aus mindestens einem Feldeffekt-Transistor bestehen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Transistor-Kippschaltung nach Eccles-Jordan dargestellt.
Bei dieser Kippschaltung besteht die Eingangsstufe 1 aus zwei pnp-Transistoren und hat einen Steuereingang 2 ; ein weiterer pnp-Transistor wirkt als Ausgangsstufe 3 auf einen Schaltungsausgang 4.
In der Eingangsstufe 1 sind beide pnp-Transistoren zu einem sogenannten Verbundtransistor zusammengefasst, dessen Emitter am positiven Pol und dessen Kollektor über einen Widerstand 5 am negativen Pol einer Gleichspannungsquelle 6 liegen. In der Ausgangsstufe 3 sind in gleicher Weise der Emitter und-über einen Widerstand 7-der Kollektor des pnp-Transistors an die Gleichspannungsquelle 6 angeschlossen, wogegen zwischen Basis und Emitter dieses Transistors eine Batterie 8 in Reihe mit einem Widerstand 9 liegt.
Die Parallelrückkopplung zwischen der Ausgangsstufe 3 und der Eingangsstufe 1 ist durch einen Widerstand 10 in einer Verbindungsleitung 11 vom Kollektor des Transistors der Ausgangsstufe 3 zum Steuereingang 2 und durch einen Widerstand 12 in der elektrischen Verbindung 13 zwischen dem Kollektor des Verbundtransistors der Eingangsstufe 1 und der Basis des Transistors der Ausgangsstufe 3 hergestellt.
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Ein Widerstand 14 in einer Leitung 15, die den Steuereingang 2 mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 6 verbindet, sorgt dafür, dass die Eingangsstufe 1 stets einen ausreichenden Basisstrom führt, so dass die Eingangsstufe 1 immer leitend bleibt.
Elektrisch in Reihe mit einem Klemmenpaar 16, 17, dem die Steuerspannung zugeführt wird, liegt am Steuereingang 2 als nichtlinearer Widerstand eine aus zwei npn-Transistoren in Verbundschaltung aufgebaute Transistoranordnung 18 derart, dass die Basis des npn-Verbundtransistors mit der Klemme 16 und sein Emitter mit dem Steuereingang 2 unmittelbar zusammenhängt, während der Kollektor dieses npn-Verbundtransistors über einen allenfalls entbehrlichen Widerstand 19 an den Pluspol der Batterie 8 geführt und die Klemme 17 mit dem Emitter der Eingangsstufe 1 elektrisch verbunden ist.
Wenn bei geschlossenem Steuerstromkreis die am Klemmenpaar 16, 17 anliegende Steuerspannung den Wert Null aufweist, fliesst über die Basis-Emitter-Strecke des Verbundtransistors 18 und der Eingangstufe 1 ein wesentlich vom Wert des Widerstandes 14 abhängiger Strom in Durchlassrichtung. Dabei entsteht über der Transistoranordnung 18 und der Eingangsstufe 1 ein Spannungsabfall, durch den die Emitter-Basis-Strecken in Durchlassrichtung vorgespannt sind. Der pnp-Verbundtransistor der Eingangstufe 1 befindet sich infolgedessen in voll leitendem Zustand und weist dabei ein nur geringes EmitterKollektor-Potential auf, während die Ausgangsstufe durch die Wirkung der Batterie 8 und des Widerstandes 9 gesperrt bleibt.
Sobald die Steuerspannungsquelle das Potential der Klemme 16 gegenüber der Klemme 17 positiv anhebt, steigt der Basis-Emitter-Strom des npn-Verbundtransistors an, wobei der Basisstrom der Eingangstufe 1 ab- und deren Kollektorspannung zunimmt, die nun die Ausgangsstufe 3 über die Verbindung 13 in den leitenden Zustand steuert, bis die Schaltung schliesslich in eine elektrische Lage kippt, bei der die Ausgangsstufe 3 voll und die Eingangsstufe 1 nur schwach leitend ist. Beim Rückgang der Steuerspannung um den Betrag der Spannungshysterese kippt die Schaltung wieder in ihre Ruhelage zurück.
In der beschriebenen Kippschaltung ist der Wert der zur Aussteuerung erforderlichen oberen Schwellenspannung gleich der Differenz der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoranordnung 18 und der Eingangstufe 1. Wegen der Kennlinienkrümmung der Basis-Emitter-Diode der Transistoranordnung 18 wird auch die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwellenspannung, die Schalthysterese, sehr klein. Damit die Kippschaltung regenerativ wirken kann, muss natürlich der differentielle Widerstand der Basis-Emitter-Diode des npn-Verbundtransistors grösser sein als der negative differentielle Widerstand der Kippschaltung.
Bei der dargestellten Schaltungsart tritt in der Transistoranordnung 18 keine Spannungsverstärkung auf, jedoch wird infolge des positiven Kollektoranschlusses in der Transistoranordnung 18 der von der Steuerspannungsquelle aufzubringende Steuerstrom um das Produkt der Stromverstärkungsfaktoren jedes der beiden aktiven Glieder des npn-Verbundtransistors herabgesetzt, so dass den Klemmen 16, 17 nur extrem niedrige Steuerströme zugeführt werden müssen.
Durch Wahl eines Werkstoffes mit gleichem Temperaturkoeffizienten für die Transistoren der Eingangstufe 1 und der Transistoranordnung 18 und deren Anordnung und Betrieb in der gleichen Temperaturebene wird eine fast vollständige Kompensation der Spannungsdrift bei Temperaturänderungen erzielt, d. h. die für die Steuerspannung geltenden Schwellenwerte der Kippschaltung werden unabhängig von der Temperatur.
In der beschriebenen Schaltung haben sich Flächentransistoren als besonders geeignet erwiesen, jedoch zeigen hier auch Feldeffekt-Transistoren, sogenannte Fieldistoren, ein günstiges Verhalten. An Stelle der Verbundtransistoren können einfache Transistoren treten, wenn nicht extreme Empfindlichkeiten erreicht werden müssen. Die Eingangsstufe 1 soll die gleiche Anzahl Transistoren aufweisen wie die Transistoranordnung 18. Selbstverständlich ist es ohne weiteres möglich, alle in der Figur gezeigten Transistoren durch ihre Komplementärform zu ersetzen, wobei lediglich die Polung der Spannungsquellen vertauscht werden muss.
Die angegebene Kippschaltung kann als hochempfindlicher Zweipunktregler oder als Schwellenwertanzeiger dienen. Desgleichen lassen sich mit dieser Schaltung feinstufige Amplitudenvergleicher oder Impulsformer für Impulse mit sehr kleinem Energieinhalt aufbauen.
Auch bei hochempfindlichen lichtelektrischen Schalteinrichtungen findet die beschriebene Kippschaltung mit Vorteil Anwendung, wobei wenigstens einer der Transistoren der Transistoranordnung 18 oder der Eingangsstufe 1 als Phototransistor ausgebildet sein kann. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist bei Fehlerstromschutzschaltern gegeben.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Transistor-Kippschaltung nach Eccles-Jordan, mit Parallelrückkopplung zwischen Ausgangsund Eingangsstufe sowie mit einem dem Steuereingang der letzteren vorgeschalteten nichtlinearen Widerstand, dadurch gekennzeichnet, dass dieser nichtlineare Widerstand eine zur Eingangsstufe (1) komplementäre Transistoranordnung (18) ist.