DE1154511B - Bistabiler elektronischer Schalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen bistabilen elektronischen Schalter mit zwei komplementären Transistoren, deren Basiselektroden je mit der Kollektorelektrode des anderen Transistors verbunden sind. Einer derartigen Zusammenschaltung zweier komplementärer Transistoren ist ein 4-Schicht-Transistor, also einem pnpn-Transistor bzw. einem pnpm-Transistor, äquivalent, wie im Aufsatz von Ebers in der Zeitschrift Proceedings of the IRE, November 1952, S. 1361 bis 1364, nachgewiesen ist. Auf den pnpn-Transistor wird in der Zeitschrift Proceedings of the IRE, Januar 1958, S. 13 bis 18, hingewiesen.

Ein derartiger elektronischer Schalter besitzt zwei stabile Lagen. In der einen Lage fließt durch die beiden Transistoren bzw. den 4-Schicht-Transistor praktisch kein Strom, d. h., der Schalter befindet sich im AUS-Zustand. In dem anderen Zustand sind dagegen beide Transistoren bzw. der 4-Schicht-Transistor leitend, d. h., der Schalter befindet sich im EIN-Zustand. Derartige elektronische Schalter besitzen meist eine mit einer Basis verbundene Steuerelektrode, über welche bei Zuführung einer entsprechend gewählten Steuerspannung die Einschaltung des Schalters, d. h. die Überführung vom AUS- in den EIN-Zustand vorgenommen wird. Die Rückschaltung erfolgt durch eine Verringerung des den Schalter durchfließenden Stroms, des sogenannten Querstromes, die entweder durch Absenkung der an dem Schalter liegenden Betriebsspannung oder durch Zuführung eines Sperrimpulses an einer Elektrode erfolgen kann. Man ist nun bestrebt, die für die Überführung vom AUS- in den EIN-Zustand erforderliche Steuerleistung möglichst klein zu halten, was man durch Verwendung von empfindlichen Transistoren erreichen kann. Es hat sich jedoch gezeigt, daß dann erhebliche Schaltleistungen erforderlich sind, um den Schalter wieder vom EIN- in den AUS-Zustand zurückzuschalten.

Die Erfindung zeigt einen Weg, wie ein elektronischer Schalter der eingangs beschriebenen Art aufgebaut werden kann, der neben größter Empfindlichkeit für die Einschaltung, d.h. die Überführung vom AUS- in den EIN-Zustand, auch mit geringer Steuerleistung für die Rückschaltung, d. h. die Überführung vom EIN-Zustand in den AUS-Zustand, auskommt. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß zwischen Basis und Emitter mindestens eines Transistors bzw. zwischen den entsprechenden Elektroden des 4-Schicht-Transistors eine dessen Stromverstärkung verringernde Belastung geschaltet, die eine derartige Zeitfunktion besitzt, daß die Belastung erst nach dem Einschaltvorgang wirksam wird.

Bistabiler elektronischer Schalter

Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2

Werner Schmidt, München,
ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung beruht auf folgenden, an Hand der Fig. 1 erläuterten Erkenntnissen:

In der Fig. 1 ist die als durchgehende Linie gezeichnete Kennlinie K eines der Erfindung zugrunde liegenden elektronischen Schalters als Abhängigkeit des Querstromes Iq von der an dem Schalter liegenden Gesamtspannung Ug dargestellt. Diese Kennlinie wird an den Punkten 1 und 2 durch eine Widerstandsgerade Wl geschnitten, welche durch den Arbeitswiderstand des Schalters bestimmt ist. Die beiden Punkte 1 und 2 stellen stabile Lagen des Schalters dar, und zwar Punkt 1 den AUS-Zustand und Punkt 2 den EIN-Zustand. Um den Schalter vom AUS- in den EIN-Zustand umzustellen, also den Betriebspunkt vom Punkt 1 zum Punkt 2 zu verschieben, muß entweder die Spannung Ug am Schalter so weit erhöht werden, daß der Betriebspunkt das Maximum der Kennlinie K überschreitet und dann über den eine Instabilität darstellenden praktisch senkrechten Ast zum Punkt 2 wandert oder an eine Steuerelektrode, ζ. B. die Basiselektrode eines Transistors, eine entsprechende Steuerspannung angelegt werden, die bewirkt, daß der den maximalen Teil der Kennlinie enthaltende Bereich die gestrichelt gezeichnete Lage bei L einnimmt. Hierdurch überschreitet ebenfalls der Betriebspunkt das Maximum der Kennlinie K, so daß also der Betriebspunkt den instabilen Bereich der Kennlinie erreicht und zum Punkt 2 wandert. Das instabile Durchlaufen des praktisch senkrechten Kennlinienteils ist gleichbedeutend damit, daß die Stromverstärkung des Schalters einen kritischen Wert überschreitet, bei welchem der Schalter kippt. Um dann den Schalter wieder vom EIN- in den AUS-Zustand zurückzuschalten, also den Betriebspunkt vom Punkt 2 zum Punkt 1 zu verlagern, ist unter Zugrundelegung der Kennlinie K die Spannung Ug am Schalter so weit

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zu verringern, daß sich nur ein einziger Schnittpunkt mit der entsprechend parallel verschobenen Widerstandsgeraden ergibt, die dabei die Lage der Geraden W 2 einnimmt. Der Schnittpunkt liegt dann bei Punkt 3 im ansteigenden Bereich der Kennlinie K zwischen Ursprung des Achsenkreuzes und dem Maximum der Kennlinie. Wird danach die Spannung Ug am Schalter wieder auf den normalen Betriebswert gesteigert, so nimmt der Betriebspunkt auf der

Fig. 4 einen 4-Schicht-Transistor, bei welchem die Belastung aus der Reihenschaltung einer Induktivität und eines Widerstandes besteht, und

Fig. 5 einen Schalter mit zwei komplementären 5 Transistoren, bei welchem zusätzlich zur Belastung noch ein aus der Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators bestehenden ÄC-Glied vorgesehen ist.

Der in der Fig. 2 dargestellte bistabile elektro-

Kennlinie .SC wieder die bei 1 eingezeichnete stabile io nische Schalter besitzt die beiden Transistoren TX Lage ein. Aus diesen Darlegungen ist ersichtlich, daß und Γ 2. Der Transistor Tl ist ein pnp-Transistor, zur Umschaltung des Schalters vom EIN- in den
AUS-Zustand eine Steuerleistung erforderlich ist,

welche dicht an die Schaltleistung des Schalters selbst

bei dem Transistor Γ 2 handelt es sich um einen pnp-Transistor. Die Basiselektroden beider Transistoren sind jeweils mit der Kollektorelektrode des anderen

herankommt, da man nämlich die am Schalter lie- 15 Transistors verbunden. An die Basiselektrode des gende Spannung Ug sehr weit absenken muß, um zu Transistors Γ 2 ist die Eingangsklemme .E angeschlos-

erwirken, daß die entsprechend parallel verschobene Widerstandsgerade die Kennlinie K nur in einem Punkt schneidet. Diese starke Absenkung der Span-

sen, über welche der Schalter eine Steuerspannung erhält, die ihn vom AUS- in den EIN-Zustand umschaltet. In Reihe zum Emitter des Transistors TX

nung Ug bei entsprechender starker Verringerung des 20 Hegt ein ArbeitswiderstandRX, zn dem die von dem Querstromes Iq macht nun die Erfindung dadurch Schalter zu schaltende Spannung abfällt. Diese Spanüberflüssig, daß in der zugrunde Hegenden Schaltung nung kann an der Ausgangsklemme A abgenommen eine Belastung enthalten ist, die nach erfolgtem Ein- werden, die am Verbindungspunkt zwischen Widerschaltvorgang die Stromverstärkung mindestens eines stand Al und Emitter des Transistors TX abzweigt. Transistors verringert. Hierdurch wird einerseits der 25 Zwischen Basis und Emitter des Transistors Γ2 ist Einschaltvorgang selbst überhaupt nicht beeinflußt, außerdem erfindungsgemäß die Belastung angeschloswodurch die Ansprechempfindlichkeit der Schaltung sen, hier aus der Reihenschaltung einer Induktivierhalten bleibt, andererseits aber nach erfolgter Ein- tat L und eines Widerstandes R 2 besteht, schaltung durch die Verringerung der Stromverstär- Zur Erläuterung der Funktion dieser Schaltung sei

kung der praktisch senkrechte Teil der KennUnie K 3° von dem AUS-Zustand ausgegangen, in welchem die nach rechts verschoben, wodurch der strichpunktiert beiden Transistoren TX und Γ 2 gesperrt sind. Durch gezeichnete Kennlinienast K' entsteht. Es ist ohne einen der Klemme E zugeführten, als Steuerspannung weiteres ersichtlich, daß zur Umschaltung des Schal- wirkenden positiven Impuls wird der Transistor Γ 2 ter vom EIN- in den AUS-Zustand eine nur geringe entriegelt, wodurch gleichzeitig auch dem Transistor Absenkung der Spannung Ug und entsprechende 35 Tl Entriegelungsstrom zugeführt wird. Auf Grund Parallelverschiebung der Widerstandsgeraden Wl die des der Klemme E zugeführten Steuerimpulses Lage der Geraden W 3 notwendig ist, damit die Ge- erfolgt eine so weitgehende Durchsteuerung der Tranrade W 3 die entsprechend zusammengesetzte Kenn- sistoren TX und Γ 2, daß der Punkt der kritischen linie KK' nur in einem Punkt, und zwar im Punkt 4, Stromverstärkung 1 überschritten wird. Infolgedessen schneidet, womit der Schalter in den AUS-Zustand 40 stellt sich ein durch die Betriebsspannung und den zurückgekehrt ist. Die nach der Einschaltung des Arbeitswiderstand R1 sowie die Kennlinie des Schal-Schalters eingetretene Verringerung der Stromver- ters bestimmter stabiler Arbeitspunkt ein (Punkt 2 in Stärkung läßt es auch zu, den Schalter über eine Fig. 1), in welchem beide Transistoren Strom führen. Steuerelektrode auszuschalten, was unter Zugrunde- In diesem EIN-Zustand kann an der Klemme A eine legung der KennHnie K allein nicht möglich ist, da 45 entsprechende Ausgangsspannung abgenommen werdann der Einfluß einer an einer Steuerelektrode des den.

Schalters wirkenden Steuerspannung im EIN-Zustand Der der Klemme E zugeführte Steuerimpuls wirkt

zu gering ist. Bei erfindungsgemäß verringerter außer auf die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Stromverstärkung reicht jedoch die Einflußmöglich- Tl noch auf die Reihenschaltung, bestehend aus Inkeit über eine Steuerelektrode aus, die sich bei An- 50 duktivitätL und Widerstand R 2, die jedoch wegen legen einer entsprechenden Steuerspannung so aus- des Vorhandenseins der Induktivität für den Steuerwirkt, daß der praktisch senkrechte Teil des Kenn- impuls anfangs kerne Belastung darstellt. Eine solche HnienastesJC' nach rechts in der gestrichelt gezeich- tritt auf Grund der Zeitkonstante der Reihenschalneten Lage L' verschoben erscheint, wodurch sich tung erst ein, wenn die beiden Transistoren TX und automatisch ergibt, daß die Widerstandsgerade WX 55 T 2 bereits durchlässig sind und der Arbeitspunkt die entsprechend zusammengesetzte KennHnie KK'L' den stabilen EIN-Zustand erreicht hat. Die in ihrer nur in einem Punkt schneidet, und zwar am Punkt 1, Höhe durch den Wert des Widerstandes R 2 begrenzte womit der Schalter in den AUS-Zustand zurück- Belastung verringert die Stromverstärkung dieses gekehrt ist. Transistors. Diese Verringerung geht jedoch nicht so

In den Fig. 2 bis 5 sind Ausführungsbeispiele der 60 weit, daß die kritische Stromverstärkung des Schal-Erfindung dargestellt. Es zeigt ters unterschritten wird. Der Schalter verbleibt mithin in seinem stabilen EIN-Zustand. Auf Grund der Verringerung der Stromverstärkung ist daher nur eine geringfügige Verringerung des den Schalter 65 durchfließenden Querstromes zwecks Rückschaltung in den AUS-Zustand erforderlich, die entweder durch eine Aussteuerung über die Klemme E in negativer Richtung oder die Eintastung eines negativen Sperr-

Fig. 2 einen bistabilen elektronischen Schalter mit
zwei komplementären Transistoren, bei welchem die
Belastung aus der Reihenschaltung einer Induktivität
und eines Widerstandes besteht,

Fig. 3 den gleichen Schalter mit einem ohmschen
Widerstand als Belastung, der über einen Relaiskontakt angeschaltet wird,

impulses über die Klemme A herbeigeführt werden kann.

An Stelle der aus der Induktivität L und dem Widerstand R2 bestehenden Belastung, die der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Γ 2 parallel geschaltet ist, kann eine entsprechende Belastung auch der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Tl parallel geschaltet werden. Eine solche aus der Induktivität L' und dem Widerstand R 2' bestehende Belastung kann über die gestrichelt gezeichneten Anschlüsse an Basis und Emitter des Transistors Π gelegt werden. Auch eine solche Belastung wirkt sich zunächst auf die den Schalter in den EIN-Zustand aussteuernde Spannung nicht aus, setzt aber nachträglich die Stromverstärkung des Transistors Π weitgehend in der gewünschten Weise herab. Es ist auch möglich, beide Transistoren Π und Γ 2 jeweils mit einer Belastung zu versehen.

Die Schaltung gemäß Fig. 3 entspricht im Prinzip der in der Fig. 2 dargestellten Schaltung. Es wird hier lediglich eine andere Art des zeitabhängigen Wirksamwerdens der Belastung verwendet. Die Belastung besteht aus dem Widerstand R 3, die über den Kontakt α des Relais^ zwischen Basis und Emitter des Transistors Γ 2 geschaltet wird. Im AUS-Zustand der Schaltung ist der Kontakt α geöffnet. Ein der Klemme E zugeführter Steuerimpuls kann daher durch den Widerstand R3 nicht belastet werden. Nimmt dagegen der Schalter seinen EIN-Zustand ein, so erhält das Relais A eine zu einem Ansprechen führende Erregung, die den Kontakt α schließen läßt, womit parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors Γ 2 die aus dem Widerstand R 3 bestehende Belastung geschaltet wird, welche in der gewünschten Weise die Stromverstärkung des Schalters verringert. Durch die Verwendung eines Relais wird automatisch die Bedingung eingehalten, daß die Zuschaltung der Belastung erst nach vollständigem Übergang in den EIN-Zustand erfolgt, da ein Relais in jedem Fall eine größere Trägheit besitzt als der aus den Transistoren aufgebaute elektronische Schalter.

In der Schaltung gemäß Fig. 4 wird an Stelle zweier komplementärer Transistoren in entsprechender Zusammenschaltung ein dieser Schaltung äquivalentes Bauelement verwendet, nämlich ein 4-Schicht-Transistor mit den Zonenfolgen p-n-p-n. Die Anschaltung der Belastung erfolgt hier an Elektroden, die den betreffenden Schaltpunkten gemäß Fig. 2 entsprechen. Dem Basisanschluß des Transistors Tl entspricht in Fig. 4 die Klemme Kl, der Basis des Transistors Γ2 die Klemme K2. Den Emitteranschluß der Transistoren Tl und Γ 2 entsprechen die Klemmen Bl und B 2. Die Wirkungsweise dieser Schaltung entspricht vollkommen der gemäß Fig. 2, so daß auf die Erläuterung zu dieser Figur verwiesen werden kann.

In der Fig. 5 ist eine Weiterbildung der Erfindung dargestellt. Zugrunde gelegt ist ein Schalter, wie er in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Bei diesem Schalter ist nun in Reihe zum Emitter des Transistors E 2 ein aus der Parallelschaltung eines Widerstandes R 4 und Kondensators C 4 bestehendes ÄC-Glied geschaltet, an dessen vom Emitter abgewandten Ende die Belastung, bestehend aus der Induktivität L 5 und dem Widerstand RS, angeschlossen ist. Diese Belastung wirkt vollkommen in dem an Hand von Fig. 2 beschriebenen Sinn. Das ÄC-Glied unterstützt nun die Wirkung der Belastung noch, indem sich im EIN-Zustand des Schalters an dem Kondensator C 4 eine Spannung aufbaut, die als negative Basisvorspannung des Transistors Γ 2 wirkt und dementsprechend den Basisstrom dieses Transistors verringert. Dies wirkt sich ebenfalls in Form einer Verringerung der Stromverstärkung des Transistors aus, wodurch die zur Überführung des Schalters in den AUS-Zustand erforderliche Durchsteuerung noch weiter verringert wird. Auf Grund der Zeitkonstante des aus dem Kondensator C 4 und dem Widerstand R 4 bestehenden i?C-Gliedes erfolgt der Aufbau der negativen Basis vorspannung des Transistors T 2 erst nach Verlauf einer bestimmten Zeit, und zwar nachdem der Schalter den EIN-Zustand erreicht hat, so daß also die den Schalter in den EIN-Zustand steuernde Spannung durch das i?C-Glied nicht beeinflußt wird. Ein solches .RC-Glied kann auch in den Schaltungen gemäß den Fig. 2 bis 4 eingesetzt werden, wobei jedoch darauf zu achten ist, daß es stets in Verbindung mit einer eine Basis-Emitter-Strecke überbrükkenden Belastung steht, die in der an Hand von Fig. 5 gezeigten Weise mit dem i?C-Glied zu verknüpfen ist.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Bistabiler elektronischer Schalter mit zwei komplementären Transistoren, deren Basiselektroden je mit der Kollektorelektrode des anderen Transistors verbunden sind, bzw. äquivalenter 4-Schicht-Transistor, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Basis und Emitter mindestens eines Transistors (T) bzw. zwischen den entsprechenden Elektroden des Vierschicht-Transistors eine dessen Stromverstärkung verringernde Belastung (L, RL) geschaltet ist, die eine derartige Zeitfunktion besitzt, daß die Belastung erst nach dem Einschaltvorgang wirksam wird (Fig. 2).

2. Bistabiler elektronischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung aus der Reihenschaltung einer Induktivität (L) und eines Widerstandes (R 2) besteht (Fig. 2).

3. Bistabiler elektronischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung aus einem Widerstand (2? 3) besteht, der von einem Arbeitskontakt (a) eines Relais 04) angeschaltet wird, welches im Hauptstromkreis des Schalters liegt und das seinen Kontakt erst dann betätigt, wenn der Schalter sich vollständig im EIN-Zustand befindet (Fig. 3).

4. Bistabiler elektronischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen denjenigen Punkt, an welchen die Belastung (L 5, R 5) angeschaltet ist und die betreffende Emitterelektrode ein aus der Parallelschaltung eines Widerstands (R 4) und eines Kondensators (C 4) bestehendes i?C-Glied geschaltet ist (Fig. 5).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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