DE1045456B - Zeitschaltung zur Erzeugung eines Spannungssprunges, der nach einer definierten Zeitspanne auf einen Schaltvorgang folgt - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Zeitschaltung zur Erzeugung eines Spannungssprunges, der nach einer definierten Zeitspanne auf einen z. B. mittels eines Schalters auslösbaren Sdbaltvorgang folgt.

Es ist bekannt, Spannungssprünge mit Hilfe von Laufzeitgliedern zu verzögern. Dabei wird im allgemeinen jedoch in unerwünschter Weise die Flankensteilheit beeinträchtigt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diesen Mangel· zu beseitigen. Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß an den Schalter in Parallelschaltung ein Ohmscher Spannungsteiler und ein RC-Glied (Reihenschaltung von Widerstand und Kondensator) angeschlossen sind, daß der Abgriff des Ohmschen Spannungsteilers zur Steuerelektrode eines Transistors und der Abgriff des ÄC-Gliedes zu einer Hauptelektrode des Transistors führen, an dessen anderer Hauptelektrode ein Widerstand angeschlossen ist, an dem der zeitlich versetzte Spannungssprung abnehmbar ist, und daß der Spannungsteiler und das RC-Glied so bemessen sind, daß die Spannung am Abgriff des i?C-GMedes in bezug auf die Spannung am Abgriff des Spannungsteilers erst nach der gewünschten Zeitspanne einen Wert erreicht, welcher den Transistor durchlässig macht und damit an dem Widerstand den gewünschten Spannungssprung entstehen läßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an Hand der Fig. 1 beschrieben, während die Fig. 1 bis 4 zur Erläuterung der Funktion der Schaltung gemäß Fig. 1 dienen. Fig. 5, 6 und 7 zeigen vorteilhafte und zweckmäßige Anwendungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Zeitschaltung, an deren Klemmen E1 eine konstante Spannung U1 angeschlossen ist, die beim Schließen des Schalters S, der auch ein elektronisch gesteuerter Schalter sein kann, plötzlich an. den Spannungsteiler aus den Widerständen Rl und RI und an das parallel zum Spannungsteiler liegende RC- Glied, bestehend aus der Reihenschaltung des Widerstandes R mit dem Kondensator C, angelegt wird. Fig. 2 zeigt das plötzliche Anlegen von Ul zum Zeitpunkt t₀ an die Schaltung gemäß Fig. 1 sowie den konstanten Verlauf von t/l als Funktion der Zeit t. Mit dem Anlegen von Ul beginnt die Aufladung des Kondensators C über den Widerstand R. Das i?C-Glied ist so bemessen, daß die Spannung am Abgriff Al des 7?C-Gliedes in bezug auf die Spannung am Abgriff A2 des Spannungsteilers erst nach der gewünschten Zeitspanne T, wie sie die Fig. 3 und 4 zeigen, einen Wert erreicht, der den Transistor TR durchlässig macht und damit an dem Widerstand R3, der hier im Kollelctorkreis des Transistors TR liegt, zum Zeitpunkt t_t den Spannungssprung entstehen läßt. Der

Zeitschaltung zur Erzeugung

eines Spannungssprunges, der nach

einer definierten Zeitspanne

auf einen Schaltvorgang folgt

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dipl.-Phys. Dr. techn. Allan Darre, München,
ist als Erfinder genannt worden

Spannungssprung wird an den Klemmen £2 abgenommen.

Um einen Spannungssprung an der Steuerelektrode des Transistors TR, der über die gestrichelt gezeichnete Eigenkapazität zwischen Basis und Kollektor des Transistors an den Widerstand RZ gelangen könnte, vor Erreichen, der Durchlässigkeit dieses Transistors zu vermeiden, ist der Widerstand Rl mit einem Querkondensator C1 überbrückt, dessen Aufladung jedoch beendet ist, bevor der Transistor aufgesteuert wird.

Der beschriebene Spannungsanstieg am Kondensator Cy der zum Zeitpunkt f₀ beginnt, erfolgt gemäß Kurve Uc in Fig. 3. Wenn die Spannung am Kondensator C, d. h. am Abgriff Al einen Wert erreicht hat, der positiver ist als die Spannung am Abgriff A 2 des Spannungsteilers, dann wird der hier verwendete Transistor vom p-n-p-Typ plötzlich niederohmig, und der Strom, der während der Zeitspanne T zur Aufladung des Kondensators C diente, fließt schlagartig durch den jetzt niederohmigen Transistor TR und durch den

4-5 Widerstand R3. Damit kann an den Klemmen £2 der Spannungssprung U2, wie ihn Fig. 4 zeigt, abgenommen werden. Am Kondensator C, d. h. am Abgriff A1, stellt sich eine Spannung Uc ein, die nahezu gleich der Spannung am Abgriff A 2 des Spannungsteilers ist. Ein weiteres Ansteigen der Spannung Uc verhindert der durchlässige Transistor. Andererseits ist aber auch ein Absinken der Spannung Uc nicht möglich, da hierdurch der Transistor gesperrt werden und sich infolgedessen der Kondensator wieder mehr aufladen

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würde. Es stellt sich also, schlagartig ein Gleichgewichtszustand ein, in welchem der Strom durch den Transistor konstant bleibt. Die Spannung am Abgriff Λ1 des Spannungsteilers und damit auch die Spannung an den Klemmen EZ ist durch das Spannungsteilerverhältnis und durch die angelegte Spannung Ul gegeben:

Rl-Ul

Rl + R2

IO

Dieser Spannung gegenüber ist die Spannung Uc, die sich am Kondensator C einstellt, bis der Transistor geöffnet wird, um die Durchlaßspannung des Transistors, also z. B. um etwa 0,2 V positiver. Bei Verwendung eines Transistors vom n-p-n-Typ ändern sich die beschriebenen Potentialverhältnisse entsprechend.

Die erfindungsgemäße Schaltung arbeitet bei Verwendung eines Transistors vom p-n-p-Typ wie folgt: Solange die Spannung Uc am Kondensator C kleiner als

Ul-Rl

Rl + R2

ist, bleibt der Transistor gesperrt. Erreicht die Spannung Uc aber diesen Wert bzw. einen etwas positiver-en Wert, so wird der Transistor leitend, Uc steigt nicht weiter an, wie es auch Fig. 3 zeigt, in der die Anstiegsfunktion für Uc oberhalb des Knickes nur gestrichelt dargestellt ist. Die Spannung U2 stimmt also nahezu mit der Spannung Uc am Kondensator C überein. Das hat den Vorteil, daß bei geeigneter Spannungsteilung Rl zu R2 die Spannung am Transistor niemals größer werden kann als die Spannung Uc, unabhängig von der konstanten Spannung Ul, die also beliebig groß sein kann.

Die erfindungsgemäße Zeitschaltung läßt sich zweckmäßig zur Steuerung von Kippschaltungen verwenden. Bisher wurden bei Kippschaltungen zwar auch zeitbestimmende Glieder verwendet, es war jedoch nicht möglich, die von solchen Kippschaltungen erzeugten Frequenzen genau vorauszuberechnen, da die Eigenschaften der verwendeten Bauelemente, insbesondere der Röhren, nicht hinreichend genau für die Frequenzberechnung zu erfassen sind. Ferner ist die Impulsdauer bei bekannten Kippschaltungen von der Betriebsspannung abhängig. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Zeitschaltung bei Kippschaltungen hat den Vorteil, die beschriebenen Mängel zu beseitigen.

Fig. 5 zeigt die Anwendung einer erfindungsgemäßen Zeitschaltung bei einer an sich bekannten Röhrenkippschaltung. Es ist für jede Röhre Vl, V2 eine Schaltung gemäß Fig. 1 vorgesehen. Die Zeitschaltungen in Fig. 5 enthalten je einen Transistor vom n-p-n-Typ. Im Anodenzweig der Röhre Vl liegt der Spannungsteiler aus den. Widerständen RTIl und RT12.

An den Abgriff dieses Spannungsteilers ist die Basis des Transistors Tl angeschlossen, dessen. Emitter zwischen dem Widerstand i?T13 und dem Kondenisator CT13 angeschlossen ist. Der Widerstand i?r 13 und der Kondensator CT13 bestimmen die Zeitkonstante dieser erfindungsgemäßen Zeitschaltung. Am Kollektorwiderstand RT14 ist der von der Zeitschaltung erzeugte Spannungssprung abnehmbar. Dieser Spannungssprung gelangt über den Rückkopplungsweg LVl und den Kondensator CT14 zum Gitter der Röhre Vl.

Die Zeitschaltung für die Röhre V2 der Kippstufe ist spiegelbildlich zur beschriebenen Zeitschaltung der Röhre Vl aufgebaut, und es sind die entsprechenden Positionszeichen verwendet.

Die Kippschaltung ist symmetrisch aufgebaut. Die Anode der Röhre Vl ist über den Widerstand Wl mit dem Gitter der Röhre V2 verbunden, während die Anode der Röhre V2 über den Widerstand W2 mit dem Gitter der Röhre Vl verbunden ist. Die genannten Widerstände PFl und W2 sind mit Kondensatoren CWl und CW2 in bekannter Weise überbrückt. Beide Röhren haben einen gemeinsamen Kathodenwiderstand RK und je einen Gitterwiderstand RGl und RG2. Der Kathodenwiderstand und die Gitterwiderstände sind geerdet. An der Klemme K liegt die Anodenspannung.

Es sei angenommen, daß mit Hilfe eines nicht dargestellten Impulses die Röhre F1 in den leitenden Zustand versetzt wurde. Damit wird die Röhre V2 durch die Spannung gesperrt, die sich an ihrem Gitter, d. h. am Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen Wl und RG2 einstellt, wenn ein Strom durch die Röhre Vl fließt. Gleichzeitig fließt auch ein Strom durch den Spannungsteiler aus den Widerständen i?ril und RT12, und der Kondensator CT13 wird über den Widerstand RT13 so lange aufgeladen, bis das Potential am Abgriff des Spannungsteilers und damit an der Basis des Transistors Tl einen Wert erreicht, der in bezug auf das Potential am Emitter des Transistors, d. h. in bezug auf das Potential am Kondensator CT13 als Öffnungspotential wirkt. In diesem Augenblick wird der Transistor T1 aus dem Sperrzustand in den leitenden Zustand umgesteuert, und an seinem Kollektorwiderstand RTM ist plötzlich ein Spannungssprung abnehmbar, der etwa der am Kondensator Cri3 aufgelaufenen Spannung entspricht. Der so erzeugte Spannungs sprung am Widerstand RT14: im Kollektorkreis des Transistors wird erfindungsgemäß zur Steuerung der Kippschaltung hier der Röhren Vl und V2 ausgenutzt. Er gelangt über den Rückkopplungsweg LFl und den Kondensator Cr 14 zum Gitter der Röhre Vl. Durch die mit Hilfe des Spannungssprunges bewirkten Potentialänderungen an dem Gitter der Röhre Vl wird diese Röhre gesperrt und in bekannter Weise die Röhre V2 in den leitenden Zustand versetzt. In der Zeitschaltung der Röhre V2 mit dem Transistor T2 beginnt jetzt die Ladung des Kondensators CT 23 über den Widerstand RT23, wie es für den Kondensator CT13 im vorhergehenden Text beschrieben wurde. Die Röhre V2 bleibt so lange leitend, bis der Transistor T 2 ihrer Zeitschaltung durchlässig wird und der in diesem Augenblick an seinem Kollektorwiderstand 2?T24 abnehmbare Spannungssprung über den Kondensator CT24 die Röhre V2 wieder sperrt und über den Kondensator CW2 die Röhre Vl geöffnet wird. Damit wiederholen sich die Vorgänge wie beschrieben. In der Schaltung gemäß Fig. 5 wurden Transistoren des n-p-n-Typs verwendet. Demgemäß entsteht an den beiden Kollektoiwiderständen RT 14c bzw. RT 24 ein negativer Potentialsprung.

In der Schaltung gemäß Fig. 6 ist an die Stelle der Röhrenkippschaltung, wie sie Fig. 5 zeigt, eine Transistorkippschaltung mit den Transistoren Kl, K2 getreten. Jeder dieser beiden Transistoren wird durch eine erfindungsgemäße Zeitschaltung mit den Transistoren Zl und Z 2 gesteuert. Zum Transistor/C1 der Kippstufe gehört der Zeitkreis mit dem Transistor Zl. Die Basis des Transistors Zl führt an den Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen RZ11 und RZ12. Der Emitter des Transistors Z1 ist zwischen dem Widerstand RZ13 und dem Kondensator CZ13 angeschlossen. Der Widerstand RZ13 und der Kondensator CZ13 bilden hier das zeitbestimmende Glied

der erfindungsgemäßen Zeitschaltung. Der am Widerstand RZ14 der Zeitschaltung abnehmbare Spannungssprung gelangt über den Kondensator CZ14 zur Basis des Transistors Kl und über den Widerstand WK2 zum Kollektorkreis des Transistors K2. An. der Klemme K liegt die Betriebsspannung.

Die zum Transistor K2 der Kippstufe gehörige Zeitschaltung ist analog aufgebaut, und es sind die entsprechenden Positionszeichen verwendet. Die Emitter der beiden Transistoren Kl und K2 liegen über die iq entsprechenden Widerstände REl und RE2 an Erde. Um den jeweiligen Sperrzustand der Transistoren K1 und K2 sicher zu gewährleisten, liegt die Basis jedes Transistors über einem hochohmigen Widerstand RB1 bzw. RB 2 an einer entsprechenden Vorspannung UB.

Im Schaltungsbeispiel gemäß Fig. 6 sind Transistoren vom p-n-p-Typ verwendet. Bei entsprechender Änderung der Potentialverhältnisse lassen sich auch Transistoren des n-p-n-Typs verwenden.

Die Schaltung gemäß Fig. 6 arbeitet folgendermaßen. Es sei angenommen, daß der Transistor Kl der Kippschaltung leitend gemacht wurde, beispielsweise durch einen der Kippschaltung von außen zugeführten Impuls. In dem Augenblick, in dem durch den Transistor Ki ein Strom fließt, beginnt die Ladung des Kondensators CZ13 über den Widerstand RZ13. Wenn die Spannung am Kondensator CZ13 einen Wert erreicht, der etwa dem Wert am Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen RZ11 und RZ12 entspricht, wird der Transistor Zl leitend. Damit entsteht am Kollektorwiderstand RZ14 ein Spannungssprung, der über den- Kondensator CZ14 zur Basis des Transistors/Cl gelangt und diesen Transistor sperrt. In dem Augenblick, in dem der Transistor Kl sperrt, entsteht an der Basis des Transistors K2, bedingt durch die Widerstände WKl und RB2 Öffnungspotential, und der Transistor Ä" 2 öffnet. Jetzt wiederholen sich für die Zeitschaltung mit dem Transistor Z2 die im vorstehenden für die Zeitschaltung mit dem Transistor Zl beschriebenen Vorgänge.

Fig. 7 zeigt eine monostabile Röhrenkippstufe mit den Röhren Bl und B 2. Es ist nur eine erfindungsgemäße Zeitschaltung mit dem Transistor TB 2 vorgesehen, die der Röhre zugeordnet ist, in deren leitendem Zustand sich die Kippschaltung in ihrer instabilen Lage befindet. Das ist hier die Röhre B 2. Die Kathoden beider Röhren sind über den gemeinsamen Kathodenwiderstand RK geerdet. An der Klemme Dl liegt die Anodenspannung. Die Schaltung befindet sich in ihrer stabilen Lage, wenn die Röhre B1 leitend ist. Wenn der leitende Zustand, durch einen Impuls von außen über die Klemme D 2 gesteuert, auf die Röhre B 2 übergeht, dann ist die Dauer dieses leitenden Zustandes der Röhre 52 durch die Zeitkonstante ihrer Zeitschaltung bestimmt. Mit dem Augenblick, in dem die Röhre B 2 leitend wird, beginnt die Ladung des Kondensators CTB13 über den Widerstand RTB13, Der durch die Zeitschaltung erzeugte Spannungssprung tritt am Kollektorwiderstand RTB14 auf, wenn die Spannung am Kondensator CTB13 nahezu die Spannung am Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen RTB11 und RTB12 erreicht hat. Der Spannungssprung gelangt über den Kondensator CTB14: zum. Gitter der Röhre B 2 und sperrt diese Röhre. Damit wird die RöhreBl wieder leitend, und die Schaltung befindet sich in ihrer stabilen Lage. Am Gitter der Röhre B1 bildet sich durch die Spannungsteilung an den Widerständen W2 und RG1 Öffnungspotential aus, das die Röhre für die Zeit öffnet, während der die Röhre B 2 gesperrt ist. Das Gitter der Röhre 52 ist über den Kondensator Ci? 1 mit der Anode der Röhre B1 verbunden und über den Gitterwiderstand RG 2 geerdet. Zwischen dem Gitter der Röhre Bl und der Anode der Röhre 5 2 liegt der Widerstand W2 und parallel dazu liegt der Kondensator C52, der dazu dient, den Steuervorgang zu beschleunigen. Der unsymmetrische Aufbau entspricht einer monostabilen Kippstufe. Im Anodenzweig der Röhre B1 liegt noch, ein Anodenwiderstand RB1.

Voraussetzung für die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Zeitschaltung bei einer monostabilen Kippstufe ist, daß das Rückkippen der Schaltung in die stabile Lage ohne Zeitschaltung wesentlich später als mit Zeitschaltung erfolgen würde.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Zeitschaltungen, insbesondere bei ihrer Anwendung zur Steuerung von Kippschaltungen liegt vor allem darin, daß damit die den bisher bekannten Kippschaltungen anhaftende Abhängigkeit von der Betriebsspannung und den Eigenschaften der aktiven Bauelemente beseitigt wird. Ferner läßt sich die Frequenz einer erfindungsgemäßen Schaltung genau vorausberechnen, und die errechneten Werte werden von einer aufgebauten Schaltung sehr genau eingehalten, da die erfindungsgemäßen Zeitschaltungen die Einflüsse der Schaltkapazitäten und Röhreneigenschaften ausschalten.

Es ist auch möglich, eine symmetrisch aufgebaute Kippschaltung, die von sich aus also bistabil arbeiten würde, bei Verwendung einer einzigen erfindungsgemäßen Zeitschaltung so zu betreiben, daß die Schaltung wie eine monostabile Stufe arbeitet, wobei die Rückkippzeit durch die Zeitschaltung eindeutig bestimmt ist.

Ferner läßt sich eine erfindungsgemäße Zeitschaltung zur Steuerung einer bistabilen Kippstufe so verwenden, daß die Flanke der Eingangsspannung Ul die Kippstufe in die eine Lage bringt und der durch die Zeitschaltung erzeugte Spannungssprung die Kippstufe wieder in die andere Lage zurückkehren läßt, wodurch sich Impulse genau bestimmter Länge erzeugen lassen,

Claims (4)

Patentansprüche

1. Zeitschaltung zur Erzeugung eines Spannungssprungs, der nach einer definierten Zeitspanne auf einen mittels eines Schalters od. dgl. auslösbaren Schaltvorgang folgt, dadurch gekennzeichnet, daß an den Schalter (S) in Parallelschaltung ein Ohmscher Spannungsteiler (Rl, R2) und ein i?C-Glied (Reihenschaltung von Widerstand R und Kondensator C) angeschlossen sind, daß der Abgriff (A 2) des Ohmschen Spannungsteilers zur Steuerelektrode eines Transistors (TR) und der Abgriff (A 1) des .RC-Gliedes zu einer Hauptelektrode des Transistors führen, an dessen anderer Hauptelektrode ein Widerstand (R 3) angeschlossen ist, an dem der zeitlich versetzte Spannungssprung abnehmbar ist, und daß der Spannungsteiler und das i?C-Glied so bemessen sind, daß die Spannung am Abgriff des i?C-Gliedes in bezug auf die Spannung am Abgriff des Spannungsteilers erst nach der gewünschten Zeitspanne (T) einen Wert erreicht, welcher den Transistor durchlässig macht und damit an dem Widerstand (RS) den gewünschten Spannungssprung entstehen läßt.

2. Zeitschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Verhinderung eines Spannungssprunges im Moment des Einschaltens der Eingangsspannung (Ul) an der Steuerelek-

trode des Transistors an den Abgriff (Λ2) des Spannungsteilers ein Querkondensator (Cl) angeschlossen ist, der so bemessen ist, daß er vor Erreichen der Durchlässigkeit des Transistors aufgeladen ist.

3. Anwendung einer Zeitschaltung nach Anspruch 1 bei aus Verstärkerelementen aufgebauten Kippschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerelemente (Fl₁ V 2; Kl, KT) eigene Rückkopplungswege (LVl, LV2) besitzen, an welche jeweils eine Zeitschaltung derart angeschaltet ist, daß bei Öffnung eines Verstärkerelementes (Vl, V2; Kl, K2) die betreffende Zeit-

schaltung nach der definierten Zeitspanne das geöffnete Verstärkerelement wieder schließt.

4. Anwendung einer Zeitschaltung nach Anspruch 1 bei monostabilen Kippschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß eine monostabile Kippschaltung mit einer Zeitschaltung derart zusammengeschaltet ist, daß die Aufladung des Kondensators in der Zeitschaltung mit dem Kippen der Kippschaltung in ihre labile Lage beginnt, und daß der Zeitpunkt des Rückkippens in die stabile Lage durch den an der Zeitschaltung abnehmbaren Spannungssprung bestimmt ist, der die Kippschaltung steuert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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