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Impulszähler unter Verwendung eines Kondensators Die Erfindung bezieht
sich auf Impulszähler unter Verwendung eines Kondensators, der von den zu zählenden
Impulsen stufenweise aufgeladen wird und nach dem Erreichen einer bestimmten Ladespannung
eine monostabile Fliß-Flop-Schaltung vorübergehend in ihren metastabilen Zustand
überführt.
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Für Zählkreise ist es bekannt, einen Kondensator in Reihenschaltung
mit einer Diode durch Stromimpulse aufzuladen und eine vorbestimmte erreichte Ladespannung
des Kondensators zur Überwindung der an einem einstellbaren ohmschen Widerstand
als Spannungsabfall erzeugten negativen Vorspannung des Steuergitters einer Dreielektrodenröhre
sowie zur Lieferung der Anodenspannung einer der Röhren eines Univibrators zu benutzen,
so daß mit der Erreichung dieser Ladespannung des Kondensators dessen Entladung
über die genannte Röhre des Univibrators und über den Gitterkreis der Dreielektrodenröhre
stattfindet. Die einwandfreie Arbeitsweise einer solchen Schaltung ist also von
der Konstanz der Spannungsquelle abhängig, welche den Strom über den ohmschen Widerstand
schickt.
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Es ist ferner ein einseitig stabiler Multivibrator aus zwei pnp-Transistoren
bekannt mit einer Eingangsschaltung aus einer Reihenschaltung eines Kondensators
und eines ohmschen Widerstandes, an deren ohmschen Widerstand die Emitter-Basis-Strecke
des Eingangstransistors, und zwar deren Basiselektrode über ein derart gepoltes
elektrisches Ventil angeschlossen ist, daß dieser Transistor durch einen negativen,
auf seine Basis gegebenen Impuls auf Durchlaß gesteuert wird.
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Schließlich ist für Schaltzwecke eine Anordnuig aus zwei komplementären
Transistoren bekannt, wobei dieseTransistoren mit ihrenEmitter-Kollektor-Strecken
jeweils über je einen an den Kollektor angeschlossenen Reihenwiderstand zwischen
die Pole einer Gleichspannungsquelle derart eingeschaltet werden, daß der Emitter
des pnp-Transistors an deren Pluspol und der Emitter des npn-Transistors an deren
Minuspol liegt. An die genannten Reihenwiderstände ist jeweils die Emitter-Basis-Strecke
des anderen Transistors angeschlossen. Bei einer solchen Schaltung wurde der Reihenwiderstand
zur Emitter-Kollektor-Strecke des pnp-Transistors als Element einer aus ihm und
einer Zenerdiode bestehenden, an die Steuergleichspannungsquelle angeschlossenen
Reihenschaltung benutzt, so daß, sobald die Steuergleichspannung die Durchbruchsspannung
der Zenerdiode überschreitet, der Reihenwiderstand von Strom durchflossen wird und
durch den an ihm entstehenden Spannungsabfall als Spannungsquelle des Emitter-Basis-Kreises
des npn-Transistors wirksam wird und diesen auf Durchlaß steuert.
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Gegenstand der Erfindung ist ein neuartiger Impulszähler der eingangs
angeführten Art, bei welchem erfindungsgemäß von einer treibenden Spannungsquelle
zwei über ein Ventil in Reihe geschaltete Kapazitäten aufgeladen werden, von denen
die eine in Reihe mit einem Ventil einen ersten Zweig einer Stromschleife bildet,
in deren zweitem Zweig ein durch die zu zählenden Impulse auf und zu gesteuertes
Schaltorgan liegt, welches bei seinem Schließen die Entladung der Kapazität in dem
ersten Zweig, bei seinem Öffnen dagegen die erneute Aufladung dieser Kapazität und
die gleichzeitige weitere Aufladung der mit ihr in Reihe liegenden zweiten Kapazität
steuert, an welche die Steuerstrecke des von der gleichen Spannungsquelle gespeisten
monostabilen Flip-Flop-Kreises über eine Zenerdiode angeschlossen ist.
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Eine solche Schaltung ergibt zufolge der Verwendung von Halbleiteranordnungen
für alle aktiven Elemente der Schaltung einen Impulszähler von hohem Zuverlässigkeitsgrad,
und sie erlaubt mit einer sehr geringen Anzahl von Transistoren eine relativ große
Anzahl von Impulsen zu zählen.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung
an Hand einiger beispielsweiser Schaltungen, auf die sich jedoch die Anwendung des
Erfindungsgedankens nicht beschränkt, wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung
Bezug genommen, wobei sich gleichzeitig noch weitere technisch vorteilhafte
- in der Verbindung mit der grundsätzlichen Erfindung anwendbare Einzehnerkmale
ergeben werden.
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Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild einer Verkörperung
der Erfindung, Fig. 2 veranschaulicht Spannungskurvenformen, welche an verschiedenen
Punkten im Stromkreis der Fig. 1 erscheinen.
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Die in Fig. 1 der Zeichnung gezeigte Verkörperung der Erfindung
umfaßt zwei n-p-n-Transistoren 10 und 12. Gemäß der bekannten Transistortheorie
besteht ein n-p-n-Übergangstransistor aus einem Stab eines Einkristalls von Germanium
des n-Leitungstyps, in welchem eine dünne Schicht in Germanium des p-Leitungstyps
umgewandelt ist. An den drei Germaniumbereichen sind nicht gleichrichtende Kontakte
befes'tigt. Der eine Kontakt, welcher an der Schicht Germanium des p-Leitungstyps
befestigt ist, wird die sogenannte Basis 14 (also 14a für Transistor
10 bzw. 14b für Transistor 12) genannt. Von den beiden anderen n-Bereichen
der Transistoren bzw. den an diese Bereiche angeschlossenen Elektroden ist jeweils
mit 16 (also 16a bzw. 16b) der Emitter und mit 18
(also
18a bzw. 18b) der Kollektor bezeichnet. Die Übergänge zwischen dem Germanium
des p-Leitungstyps und dem Germanium des n-Leitungstyps wirken als Gleichrichter.
Es fließt ein sehr kleiner Strom, wenn die Bereiche des n-Typs in bezug auf den
Bereich des p-Typs positiv sind, wohingegen ein relativ großer Elektronenstrom fließt,
wenn die Bereiche des n-Typs in bezug auf die Basis des p-Typs einen Bruchteil eines
Volts negativ sind. Wenn der Emitter 16 um einige wenige Zehntel eines Volts
negativ vorgespannt ist, fließt eine merklich große Anzahl von Elektronen von dem
Emitter 16 des n-Leitungstyps in die Basisschicht 14 des p-Leitungstyps,
wo sie auf den Kollektor 18 zu diffundieren. Wegen der Kombination der Elektronen
mit den Löchern in der Basisschicht haben die injizierten Elektronen in der Basisschicht
eine endliche Lebensdauer. Wenn die Dicke dieser Basisschicht jedoch klein ist,
so ist die Übergangszeit vom Emitter zum Kollektor klein genug, so daß ein großer
Teil der Elektronen den Kollektorübergang erreicht, wo sie über diese Sperrschicht
durch das Feld hinweggezogen werden und zu dem kleinen Anfangskollektorstrom hinzugefügt
werden. In einem Transistor dieser Art wird der Emitter-Kollektor-Strom wachsen,
wenn die Spannung an diesen Elementen wächst, bis ein Sättigungspunkt erreicht ist.
An diesem Punkt bleibt der Strom durch den Transistor konstant, auch wenn die Spannung
weiter anwächst.
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Die Emitter der Transistoren 10 und 12 sind, wie gezeigt, an
das Erdpotential angeschlossen. Die Basis 14a des Transistors 10 ist
über die Kapazität 20 und den Widerstand 22 an die positive Klemme einer Gleichspannungsquelle,
wie z. B. einer Batterie 24, angeschlossen. In ähnlicher Weise ist die Basis 14b
des Transistors 12 über die Widerstände 26 und 28 an die positive
Klemme der Spannungsquelle 24 angeschlossen. Der Kollektor 18a des Transistors
10 ist an die Basis des Transistors 12 über die Kapazität 36 angeschlossen,
welche im Nebenschluß zu dem Widerstand 26 geschaltet ist. Der Kollektor
18b des Transistors 12 ist an die Verbindungsleitung zwischen der Kapazität
20 und dem Widerstand 22 angeschlossen.
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Wenn die Gleichspannungsquelle 24 an die Schaltung angelegt ist, so
wird der Emitter 16b des Transistors 12 auf einem leicht negativen Potential
in bezug auf seine Basis 14b sein. Folglich wird der Transistor 12 leiten, und es
wird Strom durch den Widerstand 22 und den Kollektor sowie den Emitter des Transistors
12 fließen. Der sich ergebende Strom, welcher durch den Widerstand 22 fließt, erniedrigt
das Potential am Punkt Fbis auf den Spannungsabfall am Transistor 12. Unter diesen
Umständen wird der Transistor 12 weiterhin leiten, während der Transistor
10 gesperrt ist.
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Zwischen der positiven Klemme der Spannungsquelle 24 und Erde bestehen
außerdem zwei parallele Strompfade. Einer dieser Pfade schließt einen n-p-n-Übergangstransistor
38 ein, welcher einen Emitter 40, einen Kollektor 42 und eine Basis 44 hat.
Der andere Pfad schließt einen Gleichrichter 46 und eine Kapazität 48 ein, deren
einer Anschluß mit einer einstellbaren Anzapfung am Widerstand 50 verbunden
ist. Die Verbindungsleitung der Kapazität 48 und des Gleichrichters 46 ist über
einen zweiten Gleichrichter 52 und eine zweite Kapazität 54 mit Erde verbunden.
Die Verbindungsleitung zwischen diesen beiden Elementen 52 und 54 ist an
die Basis 14a des Transistors 10 über eine Zenerdiode 56 (angedeutet
durch ein vergrößert gezeichnetes Gleichgewichtssymbol) angeschlossen. Die Verbindung
der Elemente 52 und 54 ist außerdem über einen Gleichrichter 58 an
die Verbindungsleitung der Widerstände 26 und 28 angeschlossen. Eine
Auslösespannungsquelle 60 oder Spannungsimpulse, welche gezählt wer
- den sollen, werden zwischen der Basis 44 und dem Emitter 40 des Transistors
38 angelegt.
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Es soll unterstellt werden, daß der Stromkreis zum Zählen positiver
Impulse benutzt werden soll. Diese sind als die Wellenform A in Fig. 2 gezeigt.
Der Transistor 38 wird ohne Vorspannung betrieben (d. h., er ist gesperrt).
Für einen einwandfreien Betrieb müssen die Impulse von der Quelle 60 groß
genug sein, um den Transistor 38 zu sättigen, so daß Amplitudenveränderungen
das Zählen nicht beeinflussen. Bevor die positiven Impulse an die Basis des Transistors
38
angelegt werden, werden die Kapazitäten 48 und 54 von der Spannungsquelle
24 über den Widerstand 50
und den Gleichrichter 52 aufgeladen werden.
Zu dieser Zeit wird kein Strom über den Transistor 38 fließen, da er gesperrt
ist. Wenn ein positiver Spannungsimpuls an die Basis des Transistors 38 angelegt
wird, wird der Transistor in die Sättigung gehen, also leitend werden, und die Kapazität
48 und den Gleichrichter 46 wirksam kurzschließen. Folglich wird die Kapazität 48
sich über den Transistor 38 und den Gleichrichter 46 entladen. Bei diesem
Vorgang wird das Potential am Punkt B während jedes Impulses, welcher an den Transistor
38 angelegt wird, auf einen niedrigen Wert absinken. Die Spannungskurvenform,
welche am Punkt B auftritt, ist in Fig. 2 gezeigt. Wenn der Transistor
38 zwischen einander folgenden Eingangsimpulsen wieder sperrt, wird die Kapazität
48 sich über den Gleichrichter 52 wieder aufladen, und gleichzeitig wird
die Kapazität 54 weiter aufgeladen. Es ist daraus zu ersehen, daß Ladung und Entladung
der Kapazität 48 bei jedem Impuls, welcher an die Basis des Transistors
38 angelegt wird, sich fortsetzen werden mit einem sich ergebenden Anwachsen
der Ladung der Kapazität 54. Das Anwachsen der Spannung an der Kapazität 54 ist
in Fig. 2 als Kurvenform
C gezeigt. Wenn die Ladung an der
Kapazität 54 den Wert der Zerierdurchbruchsspannung der Zenerdiode 56 erreicht,
so wird die Zenerdiode 56 leiten und ein positives Potential an die Basis
des Transistors 10
anlegen. Auf diese Weise wird, wie es durch die Kurvenform
D in Fig. 2 gezeigt ist, ein positiver Impuls an die Basis des Transistors
10 angelegt, nachdem eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen an den Transistor
38 angelegt worden ist. In der gezeigten Verkörperung der Erfindung ist die
Zahl der gezählten Impulse 6.
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Wenn das positive Potential an die Basis des normalerweise gesperrten
Transistors 10 angelegt wird, so wird er leiten und einen verstärkten negativen
Impuls am Punkt E erzeugen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Dieser Impuls wird
über die Kapazität 36 mit der Basis des Transistors 12 gekoppelt. Auf diese
Weise wird der Stromfluß über den Transistor 12 verhindert oder gesperrt, so daß
das Potential am Punkt F scharf ansteigt, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Der positive
Impuls, welcher am Punkt F erzeugt wird, wird mit der Basis 14a des Transistors
10 über die Kapazität 20 gekoppelt, um auf diese Weise eine Rückkopplungswirkung
zu erzeugen. Das Signal koppelt rück, bis der Transistor 10 die Sättigung
erreicht, und dieser Transistor wird gesättigt bleiben, bis die Kapazitäten 20 und
36 sich entladen. Während der Transistor 10 gesättigt ist, wird die
Kapazität 54 über die Diode 58 und den Transistor 10 auf ein Niveau
entladen, welches durch die Sättigungsspannung des Transistors 10 bestimmt
ist. Sobald als der Transistor 10 in den Sperrzustand zurückkehrt, nach dem
Entladen der Kapazitäten 20 und 36, beginnt der Stromkreis wieder Impulse
zu zählen, bis die Ladung an der Kapazität 54 die Zenerdurchbruchsspannung (Schwellwert)
der Zenerdiode 56 erreicht.
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In einer Verkörperung der Erfindung wurde gef unden, daß sie beispielsweise
bei den folgenden Werten der Schaltungselemente in zufriedenstellender Weise arbeitete:
| Widerstände 22, 28, 50 ... 3 kQ |
| Widerstand 26 .......... 5 kÜ |
| Kapazität 48 ............ 0,05 #t17 |
| Kapazität 36 ............ 1,000 pF |
| Kapazität 20 ............ 20 pF |
| Kapazität 54 ............ 0,1 #t17 |
| Gleichrichter 46, 52, 58 ... Halbleiterdioden |
| Zenerdiode 56 |
| Transistoren 10, 12, 38 |