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An Emitterschaltung betriebener Transistorschalter mit einer Diode
zurVermeidung einer Ubersättigung der Basis mit Minoritätenträgern Die Erfindung
bezieht sich auf einen Transistorschalter und insbesondere auf die Vermeidung einer
Übersättigung der Basis mit Minoritätenträgern im eingeschalteten Zustand des Transistors
und der sich aus diesem Speichereffekt ergebenden Zeitverzögerung beim Abschalten
des Transistorschalters.
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Bei Transistorschaltern tritt eine Übersättigung der Basis mit Minoritätenträgern
im eingeschalteten Zustand des Transistors dann auf, wenn die Spannungsdifferenz
zwischen Emitter und Kollektor des Transistors geringer als die Spannungsdifferenz
zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors ist. Das ist immer dann der Fall,
wenn d-er Kollektorstrom unter der Steuerung des Basisstromes einen entsprechend
hohen Spannungsabfall an dem in der Kollektorleitung liegenden Widerstand verursacht,
also z. B. dann, wenn der Basisstrom einen bestimmten, von der Stromverstärkung
des jeweils verwendeten Transistors sowie von der Größe des in der Kollektorleitun-
lie-ZD genden Widerstandes sowie der Versorgungsspannung abhängigen Wert überschreitet.
Die an der Basis angesammelten Minoritätenträger be-,virken beim Ab-
schalten
des Basisstromes ein Weiterfließen des Kollektorstromes und damit also eine Zeitverzögerung
des Abschaltens. Diese unerwünschte Zeitverzögerung kann vermieden werden, wenn
vermieden wird, daß die Spannungsdifferenz zwischen Kollektor und Einitter kleiner
als die Spannungsdifferenz zwischen Basis und Einitter wird, wenn also eine Übersättigung
der Basis mit Minoritätenträgern verhindert wird.
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Zur Erhaltung einer bestimmten Spannungsdifferenz zwischen Einitter
und Kollektor des Schalttransistors sind im wesentlichen zwei Schaltungen bekanntgeworden,
die jede für sich ihre eigenen Nachteile haben. Bei der einen bekannten Schaltung
wird die Erhaltung einer bestimmten Spannungsdifferenz zwischen Emitter und Kollektor
des Schalttransistors dadurch erreicht, daß der Kollektor über einen Gleichrichter
mit einem Festpotential in Verbindung steht und dieser Gleichrichter auf Durchgang
geschaltet wird, wenn die Kollektorspannung das genannte Festpotential unterschreitet,
so daß die Kollektorspannung dieses Festpotential nicht wesentlich unterschreiten
kann. Der Nachteil dieser Schaltung ist, daß der Kollektorstrom im durchgeschalteten
Zustand des Gleichrichters nicht begrenzt ist und daher Kollektorströme auftreten
können, die zu einer Zerstörung oder Beschädigung des Transistors führen können.
Bei der anderen bekannten Schaltung wird die Erhaltung einer bestimmten Spannungsdifferenz
zwischen Kollektor und Emitter vermittels einer nichtlinearen Gegenkopplung erreicht.
Zu diesem Zweck ist zwischen Kollektor und Basis des Schalttransistors bzw. zwischen
Kollektor des Schalttransistors und dem von der Basis abgekehrten Anschluß eines
in der Basisleitung liegenden Widerstandes ein Gleichrichter angeordnet, der dann
auf Durchlaß geschaltet wird, wenn die Kollektorspannung die Basisspannung bzw.
die Spannung an dem Verhindungspunkt zwischen dem in der Basisleitung liegenden
Widerstand und dem Gleichrichter unterschreitet. Der Nachteil dieser Schaltung liegt
im wesentlichen darin, daß im Falle eines direkten Anschlusses des Gleichrichters
an die Basis des Schalttransistors die Kollektorspannung die Basisspannung, wenn
auch nur unwesentlich, unterschreiten kann und dadurch eine Ansammlung von Minoritätenträgern
an der Basis in einer schon nicht mehr unbeträchtlichen Anzahl verursacht wird und
daß im Fall des Anschlusses des Gleichrichters an einen in der Basisleitung liegenden
Widerstand die minimale Spannungsdifferenz zwischen Kollektor und Ernitter und damit
aber auch die Ausgangsspannung beträchtlich schwanken kann, so daß auch in diesem
Fall bei sehr hoher Stromverstärkung des Transistors eine Übersteuerung desselben
auftreten kann.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist daher, eine Schaltung
aufzubauen, bei der einerseits eine Übersättigung der Basis mit Minoritätenträgern
vermieden wird und bei der andererseits die Spannungsdifferenz zwischen Kollektor
und Emitter unabhängig von der Stromverstärkung des Transistors und damit auch von
den zur Erhaltung einer minimalen Spannungsdifferenz zwischen Ko#llektor und Emitter
vorgesehenen Mitteln ist.
Erfindungsgemäß ist'daher-ein in Emitterschaltung
betriebener Transistorschalter, der mit einem in der Kollektorleitung des Schalttransistors
liegenden Arbeitswiderstand, einem in -der Enütterleitung des SchaIttransistors
liegenden Widerstand (R,) und.' Vlif einer zwischen dem vom Effiftfer abgekehrten
Ende des Emitterwiderstandes und der Basis des Transistors liegenden Diode zur Vermeidung
einer Übersättigung der Basis mit Minoritätenträgern im eingeschalteten Zustand
versehen ist, so aufgebaut, daß die erwähnte Diode derart vorgespannt ist, daß die
Basisspannung bei Verwendung eines pnp-Transistors nicht negativer und bei der eines
npn-Transistors nicht positiver als das Begrenzungspotential wird, und daß weiterhin
der in der Emitterleitung des Schalttransistors liegende Widerstand (R1) mit seinem
vom Emitter abgekehrten Anschluß mit einem festen Potential verbunden ist, das bei
Verwendung eines _pnp-Transistors positiver und bei der eines npn-Transistors negativer
als das Begrenzungspotential ist, so daß die Spannnung an dem in der Emitterleitung
liegenden Widerstand und damit der Strom durch denselben und somit auch die an dem
Arbeitswiderstand liegende Spannung einen jeweils bestimmten, durch die Spannungsbegrenzung
vorgegebenen Wert überschreiten können, und daß weiterhin der Arbeitswiderstand
und der in der Emitterleitung liegende Widerstand derart bemessen sind, daß die
Spannungsdifferenz zwischen Kollektor und Emitter im eingeschalteten Zustand des
Schalttransistors eine minimale Spannungsdifferenz, die größer als die zwischen
Basis und Emitter maximal mögliche Spannungsdifferenz ist, nicht unterschreitet.
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Vorteilhaft kann zur Vorspannung der Diode ein an die Stromversorgung
des Transistorschalters angeschlossener Spannungsteiler vorgesehen sein, zwischen
dessen Abgriff und der Basis des Schalttransistors die Diode angeordnet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können ,erfindungsgemäße Transistörschalter
derart zu Multivibratoren zusammengeschaltet werden, daß für beide Transistoren
nur ein gemeinsamer Emittenviderstand vorgesehen ist. Weiterhin kann bei einem solchen
Multivibrater auch nur ein an die Stromversorgung desselben angeschlossener- Spannungsteiler
vorgesehen sein, zwischen dessenAbgriff und den Basisanschlüssen der Schalttransistoren
je eine Diode angeordnet ist.
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Der Vorteil der Erfindung liegt im wesentlichen .darin, daß bei erfindungsgenäßen
Transistorschaltern die Erhaltung einer bestimmten Spannungsdifferenz zwischen Kollektor
und Emitter des Schalttransistors im eingeschalteten Zustand desselben und damit
einerseits die Vermeidung einer Übersättigung der Basis mit Minoritätenträgern und
somit eine Vermeidung der Zeitverzögerung beirn Abschalten und andererseits eine
Konstanthaltung der genannten Spannungsdifferenz zwischen Kollektor und Emitter
unabhängig von der Stromverstärkung des verwendeten Transistors möglich ist, ohne
daß die Nachteile der erst-,erwähnten bekannten Schaltung in Kauf genommen werden
müssen.
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An Hand der im folgeilden aufgeführten Figuren sei die Erfindung an
einiken Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 eine Transistorschaltung
gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine Binärzählkäte mit aus erfindungsgemäßen Transistorschaltern
aufgebauten Multivibratoren.
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Die Wirkungsweise der>-in Fig. 1 gezeigten Schaltung ist folgende:
Bei Eintreffen eines über den Widerstand R, fließenden Steuerstromimpulses an der
Basis des Schalttransistors Tr beginnt über den Widerstand Ri ein Emitterstrom,,zu
fließen, der im Verhältnis der Stromverstä#küng 4e Schalttransistors Tr größer als
der Steuerstrom ist.
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Infolge der dadurch an dem Widerstand R, abfallenden Spannung fällt
das um die Spannungsdifferenz zwischen Basis und Emitter niedrigere Basispotential
bis zu der Spannung, bei der der vermittels des durch die WiderständeR4 und R.5
gebildeten Spannungsteilers vorgespannte Gleichrichter auf Durchlaß geschaltet wird,
also etwa bis zu der am Abgriff des Spannungsteilers liegenden Spannung. Ein weiteres
Ansteigen des Stenerstromes bewirkt bei genügend niedrigem Ersatzinnenwiderstand
der durch den Spannungsteiler gebildeten Vorspannungsquelle sowie bei genügend niedrigem
Durchlaßwiderstand des Gleichrichters Gl keine weitere wesentliche Erniedrigung
des Basispotentials, weil der erhöhte Anteil des Steuerstromes über den Gleichricher
Gl und den Spannungsteiler abfließt. Infolgedessen bleibt die gegenüber dem Basispotential
um die Spannungsdifferenz zwischen Basis und Emitter niedrigere, an dem Emitterwiderstand
R, abfallende Spannung und damit aber auch der durch diese Spannung und den Widerstand
R, bestimmte Emitterstrom auch bei weiterer Erhöhung des Steuerstromes praktisch
konstant. Weiterhin bleibt demzufolge auch die an dem in der Kollektorleitung liegenden
Arbeitswiderstand R, abfallende Spannung praktisch konstant, da der Kollektorstrom
annähernd gleich dem Emitterstrom ist. Bei geeigneter Bemessung der Widerstände
R, und R2 verbleibt dann zwischen Kollektor und Emitter des Schalttransistors Tr
eine Spannungsdifferenz, deren Größe durch die Bemessung von R:, und R, bestimmt
ist und die ebenfalls für die weitere Dauer des Stenerstrominipulses konstant bleibt.
Diese Spannungsdifferenz ist so bemessen, daß sie größer als die Spannungsdifferenz
zwischen Basis und Emitter des Schalttransistors Tr ist, damit eine Übersättigung
der Basis mit Minoritätenträgern auf jeden Fall vermieden wird, Die Schaltung ist
weiterhin zum Zwecke der scharfen Begrenzung des Basispotentials vermittels der
Begrenzungsschaltung derart bemessen, daß die- Bedingung (R.3 +
RE) 11 a - R, > RD + R4
11 R5
erfüllt ist. Mit RE ist dabei der Innenwiderstand der
Steuerstromquelle, mit RD der Durchlaßwiderstand des Gleichrichters und mit a die
Stromverstärkung in EmitterschaItung des Schalttransistors Tr bezeichnet. Nach Ende
des Steuerimpulses liegt die Basis des Schalttransistors Tr niederohmig an einer
Spannung, die positiver als die Spannung des Emitters des Schalttransistors ist.
Etwa über den Sperrwiderstand des Gleichrichters Gl fließende Leckströme können
daher keine Aussteuerung des Schalttransistors Tr verursachen, sondern fließen über
die Stenerleitung ab.
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In Fig. 2 ist eine dreistufige Binärzählkette mit bistabilen Multivibratoren,
die aus erfindungsgemäßen Transistorschaltern aufgebaut sind, gezeigt. Ohne auf
die hinreichend bekannte Wirkungsweise derartiger Multivibratoren einzugehen, sei
hier nur die Anwendung von erfindungsgernäßen Transistorschaltern auf derartige
bistabile Multivibratorschaltungen näher erläutert. Beide Transistorschalter eines
Multivibrators werden über den gleichen Emitterwiderstand (RE1, RE2, RE3) betrieben.
Dadurch liegt auch der Emitter des jeweils abgeschalteten Transistors auf dem gleichen
negativen
Potential wie der Emitter des eingeschalteten Transistors, so daß bei Verbindung
der Basisanschlüsse jeweils über einen Widerstand mit dem Nullpotential wegen der
dadurch jeweils gegebenen positiven Vorspannung der Basis gegen den Emitter gewährleistet
ist, daß ein Wechsel des stabilen Zustandes nur auf einen Eingangsimpuls hin erfolgt.
In den bisher bekannten Schaltungen müssen die Basisanschlüsse ebenfalls jeweils
über einen Widerstand mit einer Spannung verbunden sein, die jedoch positiv gegenüber
dem Nullpotential sein muß. Zur Erzeugung dieser Spannung sind zusätzliche Mittel
notwendig, die einerseits eine Vergrößerung des Aufwandes für die bisher bekannten
Multivibratorschaltungen darstellen und andererseits insbesondere eine nicht unbeträchtliche
Erhöhung des Strombedarfs bedingen.
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Wie weiter in Fig. 2 gezeigt, kann zur Erzeugung der Vorspannung für
die einzelnen zur Begrenzung der Basisspannungen vorgesehenen Gleichrichter ein
gemeinsamer Spannungsteiler St benutzt werden. Das gilt selbstverständlich allgemein
für Multivibratorschaltungen und hat den Vorteil einer weiteren Auf-
wandsersparnis
sowie einer Veringerung des Stromverbrauchs.
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Die in Fig. 2 gezeigte Binärzählkette ist nur ein Beispiel der Anwendbarkeit
erfindungsgemäßer Transistorschalter. Allgemein können erfindungsgemäße Transistorschalter
auf den verschiedensten Gebieten und in mannigfaltiger Ausführungsform in den verschiedensten
Geräten, insbesondere in digital arbeitenden Systemen Anwendung finden.