DE1046799B - Kippgenerator mit einer Kristalltriode - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen Kippgenerator für elektronische Rechengeräte und Frequenzteileranordnungen, insbesondere unter Verwendung von Verstärkern, die mit Kristalltrioden arbeiten.

Bisherige Schaltungsanordnungen hatten unter anderem den Nachteil, daß sie mehr oder weniger stark von den Kenndaten des verwendeten Transistors abhingen. War ein Transistor auszuwechseln, so mußte die gesamte Schaltung neu abgeglichen werden.

Dieser erhebliche Nachteil wird bei einem Kippgenerator mit einer Kristalltriode, deren Stromverstärkung größer als Eins ist, vermieden, wenn er erfindungsgemäß die Kombination folgender Merkmale aufweist: Der Emitter liegt an einem Punkt zwischen dem Widerstand und dem Kondensator eines .RC-GHedes, von dem das dem Emitter abgewendete Ende des Widerstandes an positives Potential und der dem Emitter abgewendete Belag des Kondensators, erforderlichenfalls über einen weiteren Widerstand, an negatives Potential geführt ist. Der Kollektor ist, erforderlichenfalls über einen Widerstand, an das gleiche negative Potential geführt. Zwischen der Basis und dem Bezugspotential Masse ist eine Induktivität angeordnet, deren Gleichstromwiderstand so klein ist, daß die Kennlinie der Kristalltriode noch keinen Abschnitt mit negativem Widerstand aufweist, während ihr Wechselstromwiderstand bei der Kippfrequenz größer ist als derjenige des im Emitterkreis liegenden und damit allein frequenzbestimmenden i?C-Gliedes.

Die Einzelmerkmale der Kombination sind teils an sich aus anderen Schaltungen bekannt, teils mag ihre einzelne Anwendung naheliegen. Die Erfindung besteht in der Auswahl und Kombination der aufgeführten Merkmale, die dazu führt, daß Exemplarstreuungen von Transistoren, die in erfindungsgemäß aufgebaute Schaltungen mit gleicher Dimensionierung der Schaltelemente und gleicher Bemessung sämtlicher Speisespannungen eingebaut werden, keine nennenswerte Änderung der Eigenschaften der Generatoren mit sich bringen.

Mit dem Kippgenerator gemäß der Erfindung lassen sich Ausgangsimpulse erzielen, deren Amplitude gleich der Kollektorspannung der Kristalltriode ist, der die Eingangsimpulse mit einer niedrigeren Amplitude überlagert sind. Ordnet man eine Anzahl derartiger Schaltungen in Kaskade an, dann lassen sich die größeren Zeitabstände einer Zeitskala mehrfach teilen entsprechend einem geeignet verwendeten Teilerverhältnis pro Stufe. Verwendet man eine derartige Anordnung zusammen mit einer in ihrer Frequenz stabilisierten Steuerquelle, so läßt sich ein Gerät mit sehr geringem Stromverbrauch aufbauen, das im Zusammenwirken mit Kathodenstrahl-Anzeigevorrichtungen, z. B. Entfernungsmeßgeräten, verwendet wer-Kippgenerator mit einer Kristalltriode

Anmelder:

International

Standard Electric Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität;
Großbritannien vom 10. Juni 1953

Arthur E. Brewster, London,
ist als Erfinder genannt worden

den kann, da seine exakte, maßstabgerechte Eichung viel zu einem einwandfreien Arbeiten der Gesamtanordnung beitragen kann.

In einer Anordnung gemäß der weiteren Erfindung werden die einzelnen Teilerstufen nacheinander durch die Kollektorausgangsimpulse der vorhergehenden Stufe gesteuert. Dadurch wird erreicht, daß die entstehende Ausgangsspannung frei von Resten der Eingangsimpulse ist, so daß eine beträchtliche Reduzierung der notwendigen Schaltelemente erreicht wird. Diese Anordnung eignet sich vorzugsweise für Aufgaben, bei denen nicht die maßstabgerechten Ausgangsimpulse der erstgenannten Anordnung erforderlich sind.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen typischen Kippgenerator mit einer Kristalltriode nach dem Stande der Technik,

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Fig. 1, in der der Basiswiderstand durch eine Induktivität ersetzt ist;

Fig. 3 zeigt die Weiterentwicklung der Schaltung nach Fig. 2 in eine typische Einzelstufe für eine Zählanordnung, während

Fig. 4 die Impulsformen an den verschiedenen Punkten der Fig. 3 zeigt;

Fig. 5 zeigt eine mehrstufige Kristalltriodenzählkette mit Basiskopplung, während

Fig. 6 die Frequenzteilung der verschiedenen Stufen der Fig. 5 darstellt;

809 699/464

Fig. 7 zeigt eine Abwandlung der Fig. 3 mit Kopplung zwischen Kollektor und Emitter;

Fig. 8 zeigt die verschiedenen Impulsformen aus der Anordnung nach Fig. 7, und

Fig. 9 zeigt eine Zählanordnung mit der Kristalltriodenstufe nach Fig. 7 als Grundlage zur Erzeugung von Impulsen mit 20 msec Abstand.

Die Terminologie und Technik der Kristalltriode als Schaltelement ist allgemein bekannt und bedarf keiner gesonderten Erklärung.

Zum besseren Verständnis sei erwähnt, daß die Kristalltriode eine Platte von geeignetem kristallinem Material mit einer Basiselektrode enthält, die in den Figuren als waagerechter Strich dargestellt ist. Weiterhin ist eine Elektrode, als Pfeil dargestellt, unter dem Namen Emitter bekannt, die auf der Oberfläche der Kristallplatte aufliegt, und eine Ausgangselektrode, Kollektor genannt, die an der Spitze des Pfeiles beginnt. Diese Elektroden sind mit geeigneten Spannungsquellen verbunden. In Fig. 1 ist ein typi- ao scher Kippgenerator mit einer Kristalltriode nach dem Stand der Technik dargestellt. Ein Kondensator 2, der zwischen dem Emitter 3 und der negativem Spannungsquelle liegt, lädt sich über einen Widerstand 1 von einer positiven Spannungsquelle her auf. Die Basis der Triode ist über einen Widerstand 4 an Masse gelegt. Hat der Kondensator eine derartige Ladung erreicht, daß der Emitter, bezogen auf die Basis, positiv wird, dann fließt ein Strom im Emitterkreis. Nimmt man nun an, die Stromverstärkung der Kristalltriode wäre größer als Eins, dann wird der sich einstellende Kollektorstrom im Widerstand 4 die Basis negativ machen und damit den Emitterstrom erhöhen. Dieser Vorgang stellt eine Rückkopplung dar, und die Basis erreicht sehr schnell das Potential der negativen Spannungsquelle. Da der Emitterstrom aus dem Kondensator 2 entnommen wird, wird dieser Kondensator rasch entladen, und das Emitterpotential fällt damit auf das negative Basispotential. Liefert der Kondensator 2 keinen Strom mehr an den Emitter, dann hört der Strom im Widerstand 4 auf, die Basis nimmt Massepotential an, und der Ladezyklus beginnt von neuem. Dabei ist es wünschenswert, daß der Wert des Widerstandes 4 möglichst groß ist. In der Praxis dagegen ist die Anwendung einer derartigen Schaltung als Zählschaltung durch ihre Anfälligkeit gegen Änderungen der Kenndaten der Kristalltriode begrenzt. Insbesondere erkennt man, daß der Kollektorruhestrom I₀₀ durch den Widerstand 4 das Potential bestimmt, auf das die Basis nach Beendigung des Entladezyklus zurückgeht. Das wiederum bestimmt die Dauer des Entladezyklus. Da aber I_t0 bei verschiedenen Trioden der gleichen Type zwischen weiten Grenzen schwankt, macht dieser Effekt, wesentlich verstärkt durch die erforderliche Größe des Widerstandes 4_J das Teilungsverhältnis unbestimmt.

Als Verbesserung wird nun, wie in Fig. 2 gezeigt, der Ersatz des Widerstandes 4 durch eine Induktivität 5 vorgeschlagen. Ist nun der Emitter gesperrt, dann stellt der niedrige Gleichstromwiderstand der Induktivität 5 sicher, daß das-Basispotential nur geringfügig vom Wert Null abweicht, sogar wenn I₀₀ einen \^Terhältnismäßig hohen Wert hat. Die Spannung an der oberen Belegung des Kondensators 2, die am Emitter liegt, steigt immer an, und zwar etwa auf Erdpotential, ehe Emitterstrom einsetzt und der Entladezyklus beginnt. Zu diesem Zeitpunkt beginnt der Kollektor strom durch die Induktivität 5 anzuwachsen. Dadurch entsteht eine entgegengesetzt gerichtete induzierte Spannung über der Induktivität, die das Potential der Basis rasch auf das der negativen Spannungsquelle bringt. Dadurch wird die Kristalltriode leitend, und der Kondensator 2 entlädt sich rasch über dem Emitter-Kollektor-Kreis, und zwar mit einer sehr geringen Rücklaufzeit. Dann beginnt der Zyklus von vorn. Unterschiede in den Emitter-Kollektor-Widerstandswerten bei leitender Kristalltriode ändern zwar die Rücklaufgeschwindigkeit, da aber die Rücklaufzeit nur einen geringen Bruchteil eines gesamten Arbeitszyklus ausmacht, kann diese Abweichung im allgemeinen vernachlässigt werden. Immerhin gibt es einzelne Kristalltrioden, die im leitenden Zustand einen sehr geringen Emitter-Kollektor-Widerstand haben, wodurch dann hohe Entladeströme fließen, so daß Trioden dieser Art in der Schaltung nach Fig. 2 zerstört werden. Fügt man einen kleinen Widerstand 6, wie in Fig. 3 gezeigt, in den Kollektorkreis, so wird damit erreicht, daß der Entladestrom einen festgelegten, sicheren Wert nicht überschreitet, so^! daß dadurch die obengenannte Schwierigkeit umgangen wird. Diese Ausgangsimpulse mit hohem Strom am Ausgang B (Fig. 3) sind in Fig. 4, unterste Zeile, dargestellt. In Fig. 3 ist eine typische einzelne Zähl- oder Teilerstufe gezeigt. Eine Fangdiode 7 begrenzt das Anwachsen des Emitterpotentials auf einen Wert, der gegen Masse negativ ist, so daß bei Fehlen eines Kippimpulses die Anordnung gesperrt bleibt. Liegt nun über eine Diode 8 ein negativ gerichteter Impuls an der Basis, dessen Amplitude den Wert der Emittervorspannung übersteigt, dann beginnt der Arbeitszyklus der Fig. 4. Hier ist ein Impulszug derartiger negativer Impulse mit einer Impulswiederholungsfrequenz dargestellt, die ein w-faches der Eigenfrequenz des Kippgenerators ist und diesen synchronisiert, so daß für jeden w-ten Eingangsimpuls ein Ausgangsimpuls entsteht. Da der Ladezyklus immer an einem Punkt in der Nähe dies Potentials der negativen Spannungsquelle beginnt, wird der Wert η durch die Werte des Kondensators 2 und des Widerstandes 1, durch die Poteniale der positiven und der negativen Spannungsquelle und durch die Amplitude der ankommenden Kippimpulse bestimmt. Eine Veränderung der Vorspannungspotentiale wird das Teilungsverhältnis nicht beeinflussen, vorausgesetzt, daß eine prozentuale Änderung der einen Spannungsquelle von einer ebensolchen prozentualen Änderung der anderen Spannungsquelle begleitet ist. Werden z. B. beide Potentiale aus derselben Spannungsquelle, z. B. dem Netz, entnommen, dann werden Änderungen in dieser Spannungsquelle das Teilungsverhältnis nicht beeinflussen. Die zulässige prozentuale Abweichung der Kippimpulsamplitude für einen gegebenen Wert von η ist ein Maximum, wenn der Kippvorgang ganz in der Nähe der oberen natürlichen Grenze des Emitterpotentials vor sich geht und ist annäherungsweise proportional, da der Anstieg des Emitterpotentials über den Arbeitsbereich linear ist. Es ist dabei lediglich zu beachten, daß der jeweils ra-te Impuls eine ausreichende Amplitude aufweisen muß, um den Generator zu kippen, während der (n—l)-te Impuls dieser Beschränkung nicht unterliegt. Bei gegebener Eingangsspannung innerhalb dieser Grenze wird das Teilungsverhältnis proportional dem Produkt C-R und ist unabhängig von dem tatsächlichen Wert der Induktivität 5, die nur als Drossel dient, d. h. als induktive Reaktanz mit geringem Wirkwiderstand. Daher ist die Ausgangsspannung A (Fig. 4) einer derartigen Stufe nach geringfügiger Dämpfung ohne weiteres geeignet, eine nachfolgende Stufe zu kippen, da diese

Ausgangsspannung konstante Amplitude, richtige Polarität und das richtige Potential gegenüber Masse aufweist. Ein Widerstand 9 in Fig. 3 liefert diese erforderliche Dämpfung.

Kristalltrioden mit abnorm geringem Emittersperrwiderstand beeinflussen die Ladegesohwindigkeit dadurch, daß der effektive Wert des Ladewiderstandes 1 beeinflußt wird. Wählt man nun den Widerstand 1 nicht größer als lOOkOhm, dann wird auch dieser Effekt für die Mehrzahl der bekannten Trioden überwunden. Andererseits kann der Emittersperrwiderstand durch den Sperrwiderstand einer Diode 10 weiter vergrößert werden.

Eine typische mehrstufige Zählanordnung oder ein Frequenzteiler, in denen Kippgeneratoren dieser Art verwendet werden, ist in Fig. 5 dargestellt. Die Verbindungen der einzelnen Stufen untereinander sind von Basis zu Basis, und die Arbeitsweise ergibt sich klar aus den pro Stufe angegebenen Frequenzen bzw. dem Frequenzteilerdiagramm.

Es wurde festgestellt, daß ein Generator dieser Art mit einem Teilerverhältnis von 5 je Stufe über lange Zeit vollkommen zufriedenstellend gearbeitet hat und daß Kristalltrioden mit ziemlich großen Differenzen in ihren Kenndaten in dieser Anordnung ohne weitere Nachstellung einwandfrei arbeiten.

In den restlichen Figuren ist eine weitere Schaltungsanordnung gezeigt, die für manche Zwecke Vorteile gegenüber der eben beschriebenen aufweist.

Betrachtet man noch einmal Fig. 3, die Grundschaltung der vorhergehenden Anordnung, in welcher negativ gerichtete Kippimpulse der Kristalltriode an der Basis zugeleitet werden und den Teilvorgang einleiten, der durch die Werte von C und R bestimmt ist, so daß der Kippgenerator auf jeden κ-ten Impuls anspricht, so stellt man fest, daß am Kollektor und an der Basis Ausgangsimpulse mit einer Impulswiederholungsfrequenz von — der Kippfrequenz auftreten.

Die Vorderflanke des Ausgangsimpulses an der Basis entspricht dem exponentiellen Spannungsabfall an einem Kondensator während der Entladung, und die Anstiegszeit des Impulses entspricht der vollständigen Zykluszeit der Stufe, obwohl sie — mit ihr verglichen·—-klein ist. Wird nun eine größere Anzahl dieser Stufen in Kaskade angeordnet, dann wird die Anstiegszeit des endgültigen Ausgangsimpulses doch einen beträchtlichen Teil der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden EingangsAmpulsen ausmachen, was zu einer Unsicherheit in der Taktgabe führt. Die Ausgangsspannung am Kollektor unterliegt jedoch nicht dieser Begrenzung, d!a die Anstiegszeit geringer als 1 Mikrosekunde ist, unabhängig von der Eigenfrequenz der Stufe. Die Abfallzeit des Impulses wird dagegen immer noch durch die Entladezeitkonstante bestimmt. Das ist aber nicht so wichtig und kann auch noch durch eine noch zu beschreibende Methode überwunden werden. Diese Tatsache in Verbindung mit der Eigenschaft des Generators, große Ströme im Kollektorkreis zu liefern, macht es wünschenswert, nach Möglichkeit die Ausgangsspannung im Kollektorkreis zu entnehmen. Zu diesem Zweck wurde die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 7 entwickelt.

Die Arbeitsweise ist ähnlich der der bereits beschriebenen Anordnung, mit Ausnahme von positiv gerichteten Eingangsimpulsen, die im Kollektorausgangskreis der vorhergehenden Stufe abgenommen werden und die über dem Widerstand 11 eingespeist werden. Der Kondensator 1 stellt für diese Impulse einen niedrigen Widerstand dar, so daß sie der sägezahnförmigen Emitterspannung, wie in Fig. 8 gezeigt, überlagert werden. Auf Grund eines Widerstandes 12 erreicht der Emitter ein Potential, das positiv gegenüber dem Fangpotential (—-3 V) der Diode ist, wenn diese leitet. Zu diesem Zeitpunkt ist das Emitterpotential positiv, bezogen auf die Basis, und zwar durch einen Kippimpuls. Es fließt Emitterstrom, und der Entladezyklus beginnt. Die volle Spannung über dem Kondensator erscheint augenblicklich über der Kollektorlastimpedanz (Widerständel4undl5) und klingt unmittelbar danach während des Entladezyklus exponentiell ab (Fig. 8 c). Ein geeigneter Teil dieser Spannung bildet sich über dem Widerstand 15 aus und liefert die Steuerspannung für die nachfolgende Stufe. In der Praxis bildet also der Widerstand 15 den Widerstandll der nachfolgenden Stufe (vgl. Fig. 9). Für eine Stufe mit einer Zykluszeit von 20 Mikrosekunden behält der Kollektorausgangsimpuls eine meßbare Amplitude noch nach 200 Mikrosekunden. Soll nun die Hinterflanke des Ausgangsimpulses steiler werden, dann müssen ein Kondensator 13 (Fig. 7) hinzugefügt und die Widerstände 14 und 15 geeignet gewählt werden. Dann steigt die Ausgangsimpulsamplitude beim Kippen auf ihr Maximum innerhalb einer Mikrosekunde wie vorher. Die Abfallzeit wird nunmehr jedoch durch die Zeitkonstante des Kondensators 13 und des Widerstandes 15 bestimmt. Typische, in der Schaltung nach Fig. 9 erzeugte Impulse mit einem Abstand von 20 Mikrosekunden weisen eine effektive Länge von ungefähr 10 Mikrosekunden auf. Die Schaltungsanordnung dieses Teilers ist in Übereinstimmung mit der Grundschaltung nach Fig. 7 und zeigt die Kollektor-Emitter-Kopplung über die Widerstände 14 und 15 und den Kondensator 13, der jedoch nur in der Ausgangsstufe vorgesehen zu werden braucht. Werden Zwischen-Ausgangsspannungen gewünscht, dann läßt sich dieser Kondensator zur Impulsformung derartiger Ausgangsspannungen verwenden.

Die Prinzipien der Erfindung wurden zwar an Hand besonderer Ausführungsbeispiele und Abwandlungen davon beschrieben. Es ist jedoch klar, daß dies keinerlei Beschränkung des Wesens und der Anwendbarkeit der Erfindung darstellt.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Kippgenerator mit einer Kristalltriode, deren Stromverstärkung größer als Eins ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: Der Emitter liegt an einem Punkt zwischen dem Widerstand und dem Kondensator eines .ffC-Gliedes, von dem das dem Emitter abgewendete Ende des Widerstandes an positives Potential und der dem Emitter abgewendete Belag des Kondensators, erforderlichenfalls über einen weiteren Widerstand, an negatives Potential geführt ist. Der Kollektor ist, erforderlichenfalls über einen Widerstand, an das gleiche negative Potential geführt. Zwischen der Basis und dem Bezugspotential Masse ist eine Induktivität angeordnet, deren Gleichstromwiderstand so klein ist, daß die Kennlinie der Kristalltriode noch keinen Abschnitt mit negativem Widerstand aufweist, während ihr Wechselstromwiderstand bei der Kippfrequenz größer ist als derjenige des im Emitterkreis liegenden und damit allein frequenzbestimmenden ÄC-Gliedes.

2. Kippgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Emitter eine Fangdiode vorgeschaltet ist, die das Anwachsen des Emitter-

potentials als über ein vorbestimmtes, negatives Bezugspotential und damit ein Anschwingen des Generators beim Fehlen anderer Steuerimpulse verhindert, und daß im Kollektorkreis ein Strombegrenzungswiderstand angeordnet ist.

3. KippgeneratO'r nach Anspruch 1 oder 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode bzw. eine weitere Diode mit dem Emitter verbunden ist, um den Emittersperrwiderstand zu erhöhen.

4. Betriebsschaltung für einen Kippgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer stabilisierten Impulsquelle verbunden ist, die negativ gerichtete Steuerimpulse der «-fachen Eigenimpulsfrequenz des Kippgenerators liefert, und daß die negativ gerichteten Impulse der Basis der Kristalltriode zugeführt werden.

5. Verwendung von Kippgeneratoren nach Anspruch 1 in Zählketten und Frequenzteilern, gekennzeichnet durch eine Kopplung der einzelnen Stufen von Basis zu Basis durch derart gepolte Dioden, daß jeder Basis negativ gerichtete Impulse zugeführt werden und daß eine Frequenzteilung einer anliegenden synchronisierenden Frequenz in der ersten Stufe erreicht wird, und daß die an den Ausgängen der nachfolgenden Triodenstufen auftretende Impulsfrequenz je in einem einfachen, ganzzahligen Verhältnis zu der angelegten synchronisierenden Frequenz steht.

6. Kippgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Diode an einem derartigen Punkt der Emitter-Widerstands-Kombination angeschlossen ist, daß das Emitterpotential unter Einwirkung einer geeigneten Steuerung positiv werden kann.

7. Kippgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die synchronisierenden Impulse über einem geeigneten Widerstand im Emitterkreis auftreten und über den genannten Kondensator dem Emitter zugeführt werden und daß die Ausgangsimpulse über dem Kollektorwiderstand oder einem Teil desselben abgenommen werden.

S. Kippgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorwiderstand aus zwei Teilen besteht, dessen einer, unmittelbar am Kollektor liegende, durch einen Kondensator überbrückt ist, während über dem zweiten Teil die Ausgangsimpulse auftreten, deren Form durch die Zeitkonstante des zweiten Teilwiderstandes und des Übarbrückungskondensators beeinflußt werden kann.

9. Verwendung von Kippgeneratoren nach Anspruch 7 und 8 in Frequenzteiler- und Zählschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der einzelnen Stufen vom Kollektor einer Stufe zum Emitter der nächsten Stufe erfolgt und daß bei Anliegen einer synchronisierenden Eingangsspannung die Frequenz der Ausgangsspannungen der einzelnen Stufen in einem einfachen, ganzzahligen Verhältnis zu der Synchronisierfrequenz steht.

10. Frequenzteiler- oder Zählschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangswiderstand einer Stufe gleichzeitig der Ausgangswiderstand der vorhergehenden Stufe ist und daß der die Impulsform bestimmende Kondensator nur in der letzten Stufe vorhanden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 887 558;
britische Patentschrift Nr. 684 644;
»RCA-Review«, Dezember 1949, S. 459 bis 476; September 1952, S. 369ff.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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