DE1085917B - Bistabiler Verstaerker mit Transistoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft allgemein eine bistabile Steuereinrichtung und im besonderen eine bistabile Steuereinrichtung, welche mit einer auf die Lage eines Werkstückes ansprechenden Einrichtung verbunden ist, um ein Steuerglied für ein Werkstück anzuregen. Das Zusammenwirken dieser Teile hat eine vorbestimmte Steuerbewegung eines Werkstückes zur Folge, welche abhängig ist von der Lage des besagten Werkstückes.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte bistabile Steuereinrichtung zu erstellen, die als von der Lage eines Werkstückes abhängige Vorrichtung betrieben werden kann.

Eine andere von der vorliegenden Erfindung zu lösende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte bistabile Steuereinrichtung zu schaffen, die stabiler arbeitet und eine kürzere Ansprechzeit benötigt als bekannte Einrichtungen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte bistabile Steuereinrichtung mit mindestens einem ersten und einem zweiten Betriebszustand zu schaffen, welche für jeden der beiden Betriebszustände stabiler ist und eine verkürzte Ansprechzeit für den Wechsel zwischen den beiden Betriebszuständen aufweist.

Außerdem soll die vorliegende Erfindung eine verbesserte bistabile Steuereinrichtung wie z. B. einen Flip-Flop-Kreis unter Verwendung von Halbleiterelementen darstellen. Die Einrichtung soll unter hohen Umgebungstemperaturen arbeiten und eine verbesserte Abschaltcharakteristik für ein Ausgangssignal dieser Einrichtung haben.

Bistabile Einrichtungen, z. B. bistabile Verstärker mit Transistoren, sind bekannt. Bei diesen bekannten Flip-Flop-Kreisen geschieht die Kopplung des Signals zwischen den beiden Transistoren über spannungsunabhängige Schaltelemente, ζ. Β. ohmsche Widerstände. Wie aus einem noch folgenden, bevorzugten Anwendungsbeispiel der Erfindung hervorgeht, soll diese auch unter Bedingungen mit erhöhten Temperaturen einwandfrei arbeiten. Damit verbundene Forderungen haben zur Folge, daß ein Transistor des Flip-Flop-Kreises auch im Sättigungsstromgebiet eine nicht zu vernachlässigende Emitter-Kollektor-Spannung aufweist. Diese Spannung kann hinreichend +5 groß werden, um den zweiten Transistor umzusteuern, wodurch ein exaktes Arbeiten der Einrichtung in Frage gestellt ist.

Es ist eine Einrichtung bekanntgeworden, welche als ein bistabiler Widerstand zwischen zwei Klemmen aufgefaßt werden kann. Der Widerstandswert dieses Zweipoles sinkt, nachdem seine Eingangsspannung einen gewissen Schwellwert überschritten hat, erheblich auf einen feststehenden tieferen Wert ab. Die be · Bistabiler Verstärker mit Transistoren

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 4. Dezember 1957

Marshall P. White, Grand Haven, Mich.,

und Russell J. Hall, Cheektowaga, N. Y. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

kannte Einrichtung besteht im wesentlichen aus einer Parallelschaltung zweier Transistoren. Die Basis des einen dieser Transistoren ist über eine Zenerdiode mit der positiven Eingangsklemme des Zweipoles verbunden. Die Zenerdiode dient allein dem Zweck, den obengenannten Schwellwert für die Eingangsspannung eindeutig festzulegen. Sie vertritt also bei der bekannten Anordnung eine Art Spannungsnormal.

Weiter ist eine bistabile Kippschaltung bekanntgeworden, die aus Transistoren gleichen Leitfähigkeitstyps besteht, bei der jeweils der Kollektor des einen Transistors mit der Basis des anderen Transistors über eine Zenerdiode in Sperrichtung gekoppelt ist. Diese Zenerdioden dienen aber einer anderen Aufgabe als die Zenerdiode, die bei der vorliegenden Erfindung angewendet ist. Sie werden fortwährend in ihrem leitenden Zustand gehalten, ersetzen also eine Batterie, die an Stelle der Zenerdioden geschaltet sein könnte. Ihre wesentliche Aufgabe ist es, die Spannung zwischen Kollektor und Basis des einen bzw. des anderen Transistors konstant zu halten. Sie sind zu diesem Zweck so ausgesucht, daß ihre Durchbruchspannung bei jedem Schaltzustand des bistabilen Kreises immer erreicht ist.

Demgegenüber ist ein bistabiler Verstärker mit Transistoren gleichen Leitungstyps, wobei die im Sperr- und Durchgangszustand auf höherem Potential

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liegende Ausgangselektrode eines ersten Transistors durch eine Zenerdiode in Sperrichtung mit der auf niedrigerem Potential liegenden Steuerelektrode eines zweiten Transistors verbunden ist, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbruchspannung der Zenerdiode über bzw. unter der Kailektorspannung des ersten Transistors in seinem leitenden bzw. gesperrten Zustand liegt.

Mit der Verwendung der Zenerdiode nach der Erfindung bleibt die Diode während des Durchgangszustandes des Transistors, an dessen Kollektorelektrode sie angeschlossen ist, gesperrt. Erst wenn dieser Transistor seinerseits gesperrt ist, wird die Durchbruchspannung der Diode erreicht und so der Kollektor des genannten Transistors mit der Basis eines zweiten Transistors leitend verbunden. Damit ist sichergestellt, daß die beiden Transistoren der bistabilen Schaltung nie gleichzeitig den selben Schaltzustand haben können. Die Erfindung dient also dazu, die Arbeitsweise einer bistabilen Einrichtung aus zwei Transistoren zu verbessern.

3STach einer Weiterbildung der Erfindung kann die bistabile Anordnung der beiden Transistoren durch einen Schalttransistor gesteuert werden. Die Transistoren können aus dem Halbleitermaterial Silizium bestehen. Sie können Flächentransistoren vom n-p-n-Typ sein.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht λ or, die Ausgangselektrode des einen Transistors der bistabilen Anordnung mit der Steuerelektrode des gleichen Transistors über einen Kondensator zu verbinden. Die Vorspannung der Steuerelektrode des einen Transistors der bistabilen Anordnung kann durch einen Regel widerstand eingestellt werden.

Die Erfindung wird an Hand einer Zeichnung mit drei Figuren erläutert. In

Fig. 1 ist in schematischer Darstellung ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel der Erfindung gezeigt;

Fig. 2 zeigt ebenfalls in schematischer Darstellung einen der in Fig. 1 erwähnten Detektoren, d. h. im wesentlichen einen bistabilen Verstärker;

Fig. 3 stellt eine Kurve dar, welche die Arbeitsweise einer Zenerdiode nach Fig. 2 erläutert.

In Fig. 1 ist ein Werkstück 10 zu sehen, das sich, von einem Ofen 12 kommend, durch eine erste Walzvorrichtung oder eine ähnliche Vorrichtung 14 und, falls gewünscht, eine zweite Walzvorrichtung 16 bewegt. Ein Bezugsdetektor 18 reagiert auf vom Werkstück 10 ausgehende Strahlen, die durch einen Schirm od. dgl. gehen, und wirkt so, daß die Kontakte eines Relais 22 geöffnet werden, wenn die vom Werkstück 10 ausgehenden Strahlen vom Bezugsdetektor 18 empfangen werden. Eine erste Längenabtastvorrichtung 24 reagiert auf Strahlen, die vom Werkstück 10 infolge dessen Temperatur ausgehen, in welchem Falle es sich um Wärmestrahlen handelt, die aber auch von anderer Art, z. B. Lichtstrahlen sein oder von anderen Energiequellen ausgehen können. Die Strahlen können einer geeigneten Quelle entstammen, die sich auf der gegenüberliegenden Seite des Werkstückes befindet und sich für die vorliegende Erfindung verwenden läßt. Wenn der erste Längendetektor 24 derartige Strahlen empfängt, wirkt er so, daß er die Kontakte eines Relais 26, wie es in Fig. 1 eingezeichnet ist, öffnet. Ein zweiter Längendetektor 28 reagiert auf vom Werkstück 10 ausgehende Strahlen und wirkt so, daß die Kontakte eines Relais oder einer ähnlichen Vorrichtung, 30 geöffnet werden, wenn derartige Strahlen empfangen werden. Ein dritter Längendetektor 32 reagiert ebenso auf vom Werkstück 10 ausgehende Strahlungen. Wenn keine derartige Strahlung empfangen wird, wie es in Fig. 1 der Fall ist, bleiben die Kontakte eines Relais 34 geschlossen, und das Relais 34 wird nicht erregt.

Die Kontakte der Relais 22, 26, 30 und 34 wirken so mit einem Werkstückauswahlsteuergerät 36 zusammen, daß, wenn das Werkstück 10 sich über den Bezugsdetektor 18 hinaus bewegt, das Werkstückauswahlsteuergerät 36 auf Signale reagiert, die vom entsprechenden ersten Längendetektor 24, dem zweiten Längendetektor 28 und dem dritten Längendetektor 32 kommen und eine Anzeige der Länge des Werkstückes 10 ermöglichen und/oder nachfolgender Klassifizierung durch eine Klassifizierungsvorrichtung 38 dienen. Mit anderen Worten gesagt: Wenn das Werkstück 10 eine erste Länge hat, die geringer ist als die, auf welche der erste Längendetektor 24 reagiert, wird das Werkstück in eine erste Klasse eingereiht, nachdem sich das Werkstück 10 an dem Bezugsdetektor 18 vorbeibewegt hat. Wenn die Länge des Werkstückes, wie sie vom vorwärtigen Ende angezeigt wird, zwischen den ersten Längendetektor 24 und den zweiten Längendetektor 28 fällt, wird das Werkstück durch die Steuervorrichtung 38 in eine zweite Klasse eingestuft. Wenn die Länge des Werkstückes 10 zwischen den zweiten Längendetektor 28 und den dritten Längendetektor 32 fällt, nachdem das rückwärtige Ende des Werkstückes 10 sich auf seinem dargestellten Weg am Bezugs detektor 18 vorbeibewegt hat, dann wird das Werkstück durch die Steuervorrichtung 38 in einen dritten Bereich oder einer dritten Klasse zugeordnet.

In Fig. 2 ist ein Schaltplan für einen beliebigen der in Fig. 1 gezeigten Detektoren dargestellt. Der Detektor in Fig. 2 hat eine einzige Transistor-Vorverstärker-Eingangsstufe einschließlich eines Transistors 42, gefolgt von einer Flip-Flop-Ausgangsstufe einschließlich Transistoren 44 und 46 und einer Zenerdiode 48. Die in Fig. 2 dargestellten Transistoren sind vom Typ n-p-n in gemeinsamer Emitterschaltung.

Eine Photozelle oder eine ähnliche Vorrichtung 50 reagiert auf vom Werkstück 10 ausgehende Strahlen, in dem sich die Impedanz der Photozelle 50 als Funktion der empfangenen Strahlen ändert. Wenn keine vom Werkstück kommenden Strahlen empfangen werden, ist die Impedanz oder der Widerstand der Photozelle 50 sehr hoch, so daß von einer Spannungsquelle 52 effektiv kein Eingangssignal an die Basis des Transistors 42 gelangt. Unter diesen Bedingungen wird der Vorverstärker-Transistor 42 in nichtleitendem Zustand sein, woraus folgt, daß Strom durch einen Widerstand 54, einen Widerstand 56 und den Basis-Emitter-Stromkreis des Transistors 44 fließt, wodurch der Transistor 44 leitend wird. Ein Verbindungspunkt 58 liegt jetzt an einem niedrigen Spannungspotential, was bewirkt, daß der Ausgangstransistor 46 in gesperrtem Zustand und sein Belastungsstrom auf einem Mindestwert bleibt. Die im Basisstromkreis des Transistors 46 angeschlossene Zenerdiode 48 wirkt so, daß der Transistor 46 trotz der beträchtlichen Sättigungsspannung des Siliziumtransistors 44, der leitend ist, in abgeschaltetem Zustand bleibt. Da der Transistor 46 in abgeschaltetem Zustand ist, liegt das Potential eines Verbindungspunktes 60 hoch. Diese Spannung wird durch einen Widerstand 62 zum Basisstromkreis des Transistors 44 zurückgeführt, wodurch Transistor 44 weiter gesättigt wird und den Detektor, wie in Fig. 2 dargestellt, im Betriebszustand ohne Ausgangsleistung stabilisiert.

Wenn an die Basis des Transistors 42 infolge der auf die Photozelle 50 fallenden Strahlen ein positives Eingangssignal angelegt wird, beginnt Transistor 42 leitend zu werden. Dies führt zu einem geringen Abfall der Spannung an einem Verbindungspunkt 64 und bewirkt, daß ein Teil des Stromes über die Widerstände 54 und 56 umgeleitet und von der Basis des Transistors 44 abgezogen wird, wodurch der Transistor 44 weniger leitend wird. Wenn der Transistor 44 seinen Sättigungszustand verliert, beginnt das Potential der Verbindungsstelle 58 zu steigen. Wenn das Potential oder die Spannung des Verbindungspunktes 58 ausreicht, um die Zenerdiode 48 in Sperrrichtung zu durchbrechen, also größer ist als die vorher festgelegte Durchschlagsspannung der Diode 48 für die Sperrichtung, beginnt Strom in den Basisstromkreis des Transistors 46 einzufließen, wodurch der Transistor 46 leitend wird. Die Spannung des Verbindungspunktes 60 beginnt nun zu fallen, und der Basisstrom des Transistors 44 sinkt weiter, da infolge der Tätigkeit des Rückkopplungswiderstandes 62 weniger Strom in der Richtung vom Verbindungspunkt 60 zum Verbindungspunkt 64 fließt. Diese Kaskadenwirkung dauert so lange, bis der Transistor 46 in den Zustand der Sättigung und der Transistor 44 in den gesperrten Zustand versetzt wird. Der durch den Verbraucher, der aus einem Relais 66 bestehen kann, bestehende Belastungsstrom erreicht dann seinen höchsten Wert. Der zuletzt beschriebene Kaskadenvorgang geht sehr schnell vor sich und dauert nur wenige MikroSekunden.

Wenn die vom Werkstück ausgehende Strahlung nachläßt oder aufhört, weil das Werkstück die Fühlzone des betreffenden Detektors verläßt, wird das auf die Basis des Transistors 42 angelegte Eingangssignal geschwächt, und der Transistor 42 leitet weniger. Damit wird ein geringerer Strom parallel um die Basisstrecke des Transistors 44 herumgeleitet, weiter steigt die Spannung des Verbindungspunktes 64 an. Der Transistor 44 beginnt jetzt zu leiten, der Stromzufluß durch Transistor 44 nimmt zu, und das Potential des Verbindungspunktes 58 nimmt ab, wodurch der Stromfluß durch den Transistor 46 über die Zenerdiode 48 abnimmt. Hierdurch steigt die Spannung des Verbindungspunktes 60, und der Rückkopplungs- 4-5 strom geht durch den Rückkopplungswiderstand 62 zur Basis des Transistors 44. Nach einem umgekehrten Kaskadenvorgang ist Transistor 44 in seinen Säattigungszustand übergeführt, und der Transistor 46 ist gesperrt.

Der Basisstrom des Transistors 44 wird durch Widerstand 54 und Widerstand 56 bestimmt. Letzterer wird verwendet, um eventuelle Eingangssignal- und Verstärkungsabweichungen des Transistors 44 auszugleichen. Ein Kondensator 68 wird verwendet, um eventuelle durch vereinzelte wilde KoppelefFekte oder ähnliches hervorgerufene Schwingerscheinungen zu unterdrücken. Der Kondensator 68 beeinflußt die Schaltzeit des in Fig. 2 dargestellten Detektors nicht wesentlich. Der Widerstand 55 bestimmt den in den Basisstromkreis des Transistors 46 einfließenden Strom. Zur Erzielung maximaler Stabilität muß er klein genug sein, um eine vollkommene Sättigung des Transistors 46 zu ermöglichen. Der Wert des Rückkopplungswiderstandes 62 ist begrenzt, wenn er nämlieh zu groß ist, wird die Vorspannung für den Transistor 44 hauptsächlich von Widerstand 54 und Widerstand 56 bestimmt, wodurch es notwendig wird, das Eingangssignal beträchtlich zu ändern, damit der Stromkreis zwischen seinen jeweiligen Betriebszuständen umschaltet. Wenn jedoch der Wert des Rückkopplungswiderstandes 62 zu klein ist, wird der Transistor 44 weit in seinen Sättigungszustand getrieben, so daß es wiederum schwierig wird, ihn in seinen entgegengesetzten Betriebszustand umzuschalten.

Hohe Umgebungstemperaturen machen es wünschenswert, Siliziumtransistoren in der in Fig. 2 gezeigten Schaltanordnung zu verwenden. Diese Transistoren haben eine verhältnismäßig große Sättigungsspannung in der Größe zwischen 5 und 15 Volt. Wenn der Transistor 44 leitend ist, könnte diese letztere Spannung hoch genug sein, um auch den Transistor 46 teilweise leitend zu machen. Die Zenerdiode 48 im Basisstromkreis des Transistors 46 blockiert die letztere Spannung und verhindert den Transistor 46 leitend zu werden, wenn kein Eingangssignal vorhanden und an die Basis des Transistors 42 angelegt ist. Wenn jedoch ein Eingangssignal an die Basis des Transistors 42 angelegt wird, überwindet die Spannung des Verbindungspunktes 58 die Rückwärtsdurchschlagspannung der Zenerdiode, so daß im Basisstromkreis des Transistors 46 Strom fließen und der Transistor 46 leitend werden kann. Die Zenerdiode 48 ist auch wünschenswert, wenn Germaniumtransistoren verwendet werden. Obgleich Germaniumtransistoren eine niedrige Sättigungsspannung haben, werden sie ebenfalls nicht gesperrt, wenn die Basisspannung Null ist. Die Zenerdiode 48 macht die Verwendung eines negativen Basispotentials zur Erzielung eines Abschaltvorganges unter diesen Umständen unnötig.

Eine praktische Anwendung des in Fig. 2 gezeigten Detektors ist in Fig. 1 dargestellt. Die Photozelle 50 kann eine Kadmium-Selen-Photozelle sein, die den Zweck hat, das Vorhandensein sichtbarer oder infraroter Strahlen zu entdecken, wie sie von einem heißen Metallteil 10 ausgehen kann. Die Ausgangsleistung des Stromkreises in Fig. 2 kann zur Erregung der Arbeitsspule eines Relais 66 verwendet werden, das dann für die Steuerung anderer Vorrichtungen, wie der in Fig. 1 dargestellten Klassifizierungsvorrichtung 38, zur Verfügung steht. Der Widerstand 51 wird zur Steuerung der Empfindlichkeit des Stromkreises verwendet. Die Diode 67 ist eine Entladestrecke von niedriger Impedanz, die eine Beschädigung des Transistors 46 durch den von Spule 66 kommenden induktiven Spannungsstoß verhindert.

Wenn keine Strahlung die Photozelle 50 erregt, ist der Widerstand der Photozelle 50 verhältnismäßig hoch, und der Transistor 42 ist nicht leitend, und der durch das Relais 66 gehende Verbrauchsstrom ist am kleinsten. Wenn Strahlen auf die Photozelle 50 fallen, wird der Widerstand der Photozelle 50 beträchtlich vermindert, wodurch ein Stromfluß im Basisstromkreis des Transistors 42 entsteht und der durch den Verbraucher 66 gehende Strom am größten wird.

Bei einer praktischen Anwendung des vorliegenden Regelgerätes wurden die folgenden Elemente zur Zufriedenheit benutzt.

Widerstand 54 10,000 Ohm

Widerstand 55 15,000 Ohm

Widerstand 62 100,000 Ohm

Kondensator 68 0,5 Mikrofarad

Wenn auch die vorliegende Erfindung mit einem gewissen Grad von Ausschließlichkeit beschrieben wurde, wird darauf hingewiesen, daß die vorliegende Beschreibung nur ein Beispiel ist und zahlreiche Änderungen der Konstruktionseinzelheiten und der Anordnung der Teile vorgenommen werden können, ohne

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daß vom Umfang und Wesen der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Bistabiler Verstärker mit Transistoren gleichen Leitungstyps, wobei die im Sperr- und Durchgangszustand auf höherem Potential liegende Ausgangselektrode eines ersten Transistors durch eine Zenerdiode in Sperrichtung mit der auf niedrigerem Potential liegenden Steuerelektrode eines zweiten Transistors verbunden ist, dadurch, gekennzeichnet, daß die Durchbruchspannung der Zenerdiode über bzw. unter der Kollektorspannung des ersten Transistors in seinem leitenden bzw. gesperrten Zustand liegt.

2. Bistabiler Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bistabile Anordnung durch einen Schalttransistor gesteuert wird.

3. Bistabiler Verstärker nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren aus Silizium bestehen.

4. Bistabiler Verstärker nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren sogenannte Flächentransistoren vom n-p-n-Typ sind.

5. Bistabiler Verstärker nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektrode des einen Transistors der bistabilen Anordnung mit der Steuerelektrode des gleichen Transistors über einen Kondensator verbunden ist.

6. Bistabiler Verstärker nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung der Steuerelektrode des einen Transistors der bistabilen Anordnung durch einen Regelwiderstand eingestellt werden kann.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 919 125;
USA.-Patentschrift Nr. 2 655 609;
britische Patentschrift Nr. 781 222.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 568/226 7.60