DE1051325B - Selbstschwingender Transistor-Multivibrator als Frequenzteiler - Google Patents

Description

Der selbstschwingende Multivibrator hat als Frequenzteiler gegenüber anderen Schaltungen, wie z. B. Sperrschwinger, Phantastron, Treppenspannungsfrequenzteiler usw., den Vorteil, daß man die gesamte Teilung in dem gewünschten Teilungsverhältnds durch besondere Synchronisiermaßnahmen in zwei Abschnitte unterteilen kann. Bei einem Teilerverhältnis von 1 : 5 beispielsweise kann die Teilung in zwei Teilungsabschnitte mit den Teilerverhältnissen 1 : 3 und I₁: 2 zerlegt werden. Durch eine derartige Maßnahme wird die Stabilität des Teilers wesentlich erhöht. Damit da's Teilungsverhältnis von den Betriebseigenschaften der beiden elektronischen Schaltelemente des Multivibrators unabhängig.wird, sollen diese als möglichst ideale Schalter fungieren. Diese Bedingung erfüllen Transistoren wesentlich besser als Vakuumröhren, da der in leitendem Zustand bestehende Transistor-Restwiderstand wesentlich kleiner ist als der Innenwiderstand der geöffneten Röhre.

Fig. 1 zeigt eine Multivibrator-Frequenzteilerschaltung, die man erhalten würde, wenn man bei den bekannten mit Röhren bestückten Frequenzteilerschaltungen die Elektronenröhren sinngemäß durch Transistoren ersetzt. Die in ihrer Frequenz zu teilende Impulsfolge wird über die Leitung 1 und die kleinen Koppelkondensatoren 2 gleichzeitig den Basiselektroden der beiden Transistoren 11 und 21 in differenzierter Form zugeführt. Da es sich um einen selbstschwingenden Multivibrator handelt, besteht seine Periodendauer aus zwei Abschnitten; in dem ersten ist der als Schalter wirkende Transistor 11 stromleitend und der Transistor 21 gesperrt, in dem zweiten liegen die Verhältnisse gerade umgekehrt. Von der Annahme ausgehend, daß der Transistor 11 zunächst leitend ist, wenn also am Kollektoranschluß 12 praktisch Nullpotential herrscht, werden die durch Differentiation der zu teilenden Impulsfolge gewonnenen positiven Spitzen der der Basis 13 zugeführten Signale verstärkt und erscheinen am Kollektorenanschluß 12 als negative Spitzen und mit derselben Polarität auf dem Weg über den Kopplungskondensator 14 auch an der Basis 23 des Transistors 21. Das ursprünglich die Sperrung des Transistors 21 verursachende positive Potential an der Basis 23 sinkt nach einer Exponentialfunktion ab, da sich der Kondensator 14 über den Widerstand 4 nach — E entlädt. Die negativen Spitzen überlagern sich dieser Exponentialfunktion, so daß bei genügend fortgeschrittener Entladung des Kondensators 14 der Transistor 21 durch eine solche Spitze leitend wird. Nun setzt der beim Multivibrator bekannte, lawinenartig anwachsende Rückkopplungsprozeß ein, mit dem Ergebnis, daß sich der Schalter mit dem Transistor 21 sprunghaft öffnet. Der Transistor 11 ist nun für die Signale der zu teilenden Fre-Selbstschwingender Transistor-Multivibrator als Frequenzteiler

Anmelder:

Fernseh G.m.b.H.,

Darmstadt, Am Alten Bahnhof 6

Dipl.-Ing. Ernst Legier, Darmstadt,
ist als Erfinder genannt worden

quenz undurchlässig, während die positiven Spitzen der Signale im Transistor 21 verstärkt werden und an der Basis 13 mit negativer Polarität erscheinen. Sie überlagern sich dort der Entladungsfunktion des Koppelkondensators 24, so daß schließlich eine dieser Spitzen den Transistor 11 in den leitenden Zustand versetzt und den sprunghaften Übergang in den anfangs angenommenen Zustand verursacht. Auf diese Weise erstrecken sich beide in Fig. 2 mit A und B bezeichneten Abschnitte der Schwingungsperiode des Multivibrators über ein ganzzahliges Vielfaches der Pulsfolgeperiode der zu teilenden Impulsfolge Ul der Fig. 2.

Die Fig. 2 zeigt die zur Schaltung der Fig. i< gehörenden Spannungsoszillogramme, von denen jedes einzelne zur Charakterisierung mit derselben Ziffer bezeichnet ist wie diejenige Stelle der in Fig. 1 dargestellten Schaltung, an der die Spannung den durch das Oszillogramm gezeigten Verlauf nimmt. Aus diesen Diagrammen ist ersichtlich, daß für die Stabilität des Teilers eine konstante Amplitude der das Umkippen herbeiführenden negativen Spitzen sehr wesentlich ist. Diese Forderung ist in der Schaltung nach Fig. 1 nicht erfüllt, da die negativen Spitzen erst durch die in den Transistoren erfolgenden Verstärkung der durch Differenziation aus der zu teilenden Impulsfolge gewonnenen positiven Spitzen erhalten werden. Die Konstanz dieser Verstärkung ist hier jedoch gering, da die Transistoren nicht im sogenannten yi-Betrieb, sondern — bei geschlossenem Schalter — mit einer Kollektor-Emitter-Spannung von nahezu 0 Volt arbeiten. Ziel der Erfindung ist deshalb eine Schaltung, welche diesen wesentlichen Nachteil nicht aufweist.

In dem selbstschwingenden, als Frequenzteiler arbeitenden Transistor-Multivibrator, bei demdiebeiden Abschnitte der Schwingungsperiode durch die in ihrer

809 767/364

Frequenz zu teilende Impulsfolge synchronisiert werden und beide in Emitterschaltung geschaltete Transistoren als möglichst ideale Schalter arbeiten, indem sie in gesperrtem Zustand einen sehr hohen, in geöffnetem Zustand einen extrem niedrigen Widerstand besitzen, bestehen erfindungsgemäß die Koppelglieder zwischen dem Kollektor des einen und der Basis des anderen Transistors jeweils aus einer Reihenschaltung eines Kondensators mit einem Widerstand. Hierbei ist der Widerstand an den Kollektor und der Kondensator an die Basis angeschlossen. Die in ihrer Frequenz zu teilende Impulsfolge wird in dieser Schaltung von einem gemeinsamen Punkt aus über je eine Diodenstrecke an die Verbindungspunkte zwischen den genannten KoppelgHedern in differenzierter Form eingespeist.

In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens werden die Widerstände der Koppelglieder derart gewählt, daß die Amplituden der aus der Differentiation der zu teilenden Impulsfolge hervorgehenden η negativen Spitzen, die der Entladefunktion des sicih jeweils entladenden Koppelkondensators überlagert werden, dem Frequenzteilungsverhältnis optimal angepaßt sind, indem ein maximaler Haltebereich dadurch erzielt wird, daß die η Amplituden etwas größer sind als der «-te Teil des zu Beginn der Entladung auftretenden Spannungsprunges.

Zur Inbetriebnahme der Schaltung nach dem in Fig. 3 dargestellten Ausfü'hrungsbeispiel der Erfindung ist eine Starthilfe in der Weise vorgesehen, daß die Basis-Speisespannung beider Transistoren. später als die Kollektor-Speisespannung eingeschaltet wird.

In einer besonders günstigen Ausführungsform wird eine automatische Starthilfe angewendet. Dabei ist der Basiswiderstand eines der beiden Transistoren an den Abgriff eines aus dem Kollektorwiderstand des anderen Transistors gebildeten Spannungsteilers angeschlossen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 3 bis 5 näher erläutert.

Fig. 3 gibt das Schaltbild eines Transistor-Multivibrators gemäß der Erfindung wieder;

Fig. 4 zeigt die dazugehörigen Spannungsoszillogramme;

Fig. 5 stellt eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Transistor-Multivibritors mit automatischer Starthilfe dar.

In der Schaltung nach Fig. 3, in der für die schon in Fig. 1 vorkommenden Schaltelemente dieselben Bezugsziffern wie dort verwendet sind, werden die von der zu teilenden Impulsfolge abgeleiteten, das Umkippen des Multivibrators bewirkenden negativen Synchronisierspitzen, ohne vorherige Verstärkung in einem der Transistoren, direkt der Entladungsfunktion des Kondensators 14 bzw. 24 überlagert. Die in der Frequenz zu teilende Impulsfolge Ul wird zunächst über das aus dem Kondensator 5 und dem Widerstand 6 bestehende i?C-Glied differenziert und dann über die Dioden 7 und 8 und die Kondensatoren 14 und 24 den Basiselektroden 13 und 23 der Transitoren 11 und 21 zugeführt. Die Dioden sind bei positiver Polarität der beim Differenzieren entstehenden Spitzen undurchlässig; die negativen Spitzen dagegen gelangen jeweils nur über die eine der Dioden — die andere ist durch das negative Kollektorpotential des gesperrten Transistors so weit negativ vorgespannt, daß sie auch für die negativen Spitzen undurchlässig ist — an die Basis des gesperrten Transistors, dessen Umkippen in den leitenden Zustand durch eine dieser Spitzen bewirkt wird. Da während der Sperrzeit des einen Transistors der andere leitend ist, wobei seine Kollektor-Emitter-Strecke einen kurzgeschlossenen Schalter darstellt, würden die für die Basis des gesperrten Transistors benötigten negativen Spitzen durch diesen Schalter kurzgeschlossen. Um dies zu verhindern, sind die Vorwiderstände 16 bzw. 26 eingeschaltet. Über die jeweils leitende der Dioden 7 und 8 wird der zugehörige Vorwiderstand 16 bzw. 26

ίο dem Differenzierwiderstand 6 parallel geschaltet. Die Amplitude der negativen Spitzen wird daher auch durch die Größe dieser Vorwiderstände mitbestimmt. Dies ermöglicht die optimale Anpassung der Amplitude an das Frequcnz-Teilumgsvcrhältnis des cntsprechenden Abschnittes der Multivibrator-Schwingungsperiode. Die Größe der negativen Synchronisierspitzen hängt — wie aus Fig. 3 ersichtlich — in der beschriebenen Schaltung nur von den Schaltelementen 5, 6 und 16 bzw. 26, dagegen nicht von den Transistoren ab. Fig. 4 zeigt die entsprechenden Oszillogramme, die ebenso wie bei Fig. 2 mit denselben Bezugsziffern versehen sind wie die Punkte der in der Fig. 4 wiedergegebenen Schaltung, denen die Oszillogramme zugeordnet sind.

Bei dieser Schaltung gibt es, wie bei vielen Transistor-Generatoren, ein Startproblem, das darin besteht, daß bei gleichzeitigem Einschalten der Betriebsspannungen E und E₁ eine Selbsterregung deshalb nicht möglich ist, weil beide Transistoren voll leitend sind, also geschlossene Schalter darstellen, und in diesem Zustand nicht verstärken. Die negativen Synchronisierspitzen sind ebenfalls wirkungslos, da sich die Transistoren bereits im leitenden Zustand befinden. Die Anordnung benötigt also beim Einschalten eine einmalige Starthilfe. Als solche kann ein verzögertes Einschalten der Basis-Speisespannung E₁ dienen. Die Transistoren versuchen sodann, vom gesperrten in den leitenden Zustand überzugehen, und durchlaufen dabei den yi-Betrieb mit hoher Verstärkung. Eintretende Selbsterregung ist die unmittelbare Folge.

Aus der Schaltung nach Fig. 3 ergibt sidh nun die im folgenden beschriebene, in Fig. 5 dargestellte ,Variante eines selbststartenden, selbstschwingenden Multivibrator-Frequenzteilers, bei dem das Startproblem besonders vorteilhaft gelöst ist. Auch hier gelten wieder für die entsprechenden Schaltungsglieder dieselben Bezugsziffern wie in den Fig. 1 und 3. Die in Fig. 5 gezeigte Schaltung weist als charakteristisches Merkmal eine automatische Starthilfe auf. Diese besteht darin, daß der Basiswiderstand 4 des Transistors 21 nicht an die Betriebsspannung E₁, sondern an eine Unterteilung des Kollektorwiderstandes 15 des Transistors 11 angeschlossen ist. Im Einschaltmoment ist der Transistor 11 voll leitend, sein Kollektoranschluß 12 nimmt praktisch Nullpotential, an. Die Unterteilung des Kollektorwiderstandes wird nun so gewählt, daß der Transistor 21 in diesem Zustand infolge seiner gegenüber der Basis-Speisespannung des Transistors 11 wesentlich geringeren Basis-Speisespannung im ^-Betrieb arbeitet. Seine hohe Verstärkung bewirkt dann die Selbsterregung des Multivibrators.

Grundsätzlich ist es auch möglich, den Basiswiderstand 4 des Transistors 21 direkt an den Kollektor des Transistors 11 anzuschließen. In diesem Fall würde jedoch die dem Potential Null zustrebende Entladung des Kondensators 14 nach einer Entladefunktion mit wesentlich geringerer Steilheit im Umkippzeitpunkt erfolgen. Hierdurch läßt sich der Punkt, in dem das

IUOl ΟΔΟ

Umkippen des Transistors 21 in den leitenden Zustand ausgelöst wird, nicht mit der gewünschten Exaktheit fixieren. Eine Entladung auf ein negatives Potential hin, welches durch den unterteilten Kollektorwiderstand gewonnen wird, ergibt auf Grund des steileren Durchganges der Entladung durch den Umkippunkt eine wesentlich bessere Frequenzkonstanz.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Selbstschwingender, als Frequenzteiler arbeitender Transistor-Multivibrator, bei dem die beiden Abschnitte der Schwingungsperiode durch die in ihrer Frequenz zu teilende Impulsfolge synchronisiert werden und beide in Emitterschaltung geschaltete Transistoren als möglichst ideale Schalter arbeiten, indem sie in gesperrtem Zustand einen sehr hohen, in geöffnetem Zustand einen extrem niedrigen Widerstand besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelglieder zwischen dem KoI-lektor des einen und der Basis des anderen Transistors jeweils aus einer Reihenschaltung eines Kondensators mit einem Widerstand bestehen, wobei letzterer an den Kollektor und der Kondensator an die Basis angeschlossen ist und daß von einem gemeinsamen Punkt ausüber je eine Diodenstrecke an die Verbindungspunkte zwischen diesen Koppelgliedern die in ihrer Frequenz zu teilende Impulsfolge in differenzierter Form eingespeist wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände der Koppelglieder so gewählt werden, daß die Amplituden der aus der Differentiation der zu teilenden Impulsfolge hervorgehenden η negativen Spitzen, die der Entladefunktion des sich jeweils entladenden Koppelkondensators überlagert werden, dem Frequenzteilungsverhältnis optimal angepaßt sind, indem ein maximaler Haltebereich dadurch erzielt wird, daß die η Amplituden etwas größer sind als der M-te Teil des zu Beginn der Entladung auftretenden Spannungssprunges.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Inbetriebnahme eine Starthilfe in der Weise vorgesehen ist, daß die Basis-Speisespannung beider Transistoren später als die Kollektor-Speisespannung eingeschaltet wird.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswiderstand eines der beiden Transistoren an den Abgriff eines aus dem Kollektorwiderstand des anderen Transistors gebildeten Spannungsteilers angeschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen