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Kippschaltung mit stetig veränderbarer Impulsdauer der Ausgangsspannung
Die Erfindung bezieht sich auf monostabile und astabile Kippschaltungen. Eine monostabile
Kippschaltung liefert abhängig von einem Eingangssignal jeweils einen Impuls konstanter
Dauer. Eine astabile Kippstufe erzeugt eine Impulsfolge bestimmter Frequenz. Sehr
oft ist es erwünscht, die Impulsdauer der von solchen Anordnungen gelieferten Spannung
zu verändern. Dies hat man beispielsweise durch mechanische Veränderung des Widerstandswertes
oder Kapazitätswertes eines zeitbestimmenden RC-Gliedes erreicht. Oft soll jedoch
die Dauer der von solchen Kippstufen gelieferten Impulse abhängig von einer elektrischen
Größe verändert werden. Meist hat man hierzu diese elektrischen Größen erst in ein
Drehmoment umformen müssen, durch das dann ein Schieber oder ein Rotor eines Widerstandes
bzw. Kondensators verstellt wurde.
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Es sind jedoch auch Lösungen bekanntgeworden, die es erlauben, die
Dauer der von einer Kippschaltung abgegebenen Impulse abhängig von der Größe einer
Gleichspannung direkt zu verändern. Diesen bekannten, mit Röhren oder Transistoren
arbeitenden Anordnungen ist gemeinsam, daß der Durchsteuerzeitpunkt eines bislang
gesperrten Schaltelementes von der Entladung eines Kondensators abhängig ist. Die
Dauer der Impulse läßt sich hierbei durch Ändern der Entladespannung einstellen.
Zu diesem Zweck hat man beispielsweise die Steuerelektrode des jeweils verwendeten
Schaltelementes über einen Widerstand und eine Diode an eine einstellbare Vorspannungsquelle
angeschlossen.
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Diese bekannten Schaltungen weisen jedoch einige, mitunter sehr störende
Eigenschaften auf, wenn als Schaltelemente Transistoren verwendet werden. Bei derartigen
Anordnungen liegt nämlich - unabhängig von der speziellen Schaltung - stets die
Emitter-Basis-Strecke eines Transistors parallel zum Widerstand des die Impulsdauer
bestimmenden RC-Gliedes. Der Innenwiderstand dieser Strecke ist verhältnismäßig
niedrig, im Gegensatz zu dem praktisch unendlich großen Eingangswiderstand einer
Röhre in Kathoden-Basis-Schaltung. Das bedeutet, daß bei derartigen Schaltungen
mit Transistoren der Widerstand des RC-Gliedes nicht beliebig hoch gewählt werden
kann. Während bei Schaltungen mit Röhren Widerstandswerte von etwa 2 MOIun durchaus
geläufig sind, kann bei Schaltungen mit Transistoren der Widerstand praktisch nicht
größer als 50 kOhm gewählt werden. Das bedeutet aber, d'aß bei Anwendung von Transistoren
der Kondensator sowohl elektrisch wie auch zwangläufig mechanisch wesentlich größer
sein muß als bei entsprechenden Schaltungen mit Röhren - gleiche Dauer der Ausgangsimpulse
vorausgesetzt.
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Ein weiterer Nachteil ist die sehr niedrige maximal zulässige Sperrspannung
der Emitter-Basis-Strecke von Transistoren, die bei etwa 10 V liegt. Durch die Spannungsfestigkeit
der Emitter-Basis-Strecke wird praktisch auch die maximale Betriebsspannung des
RC-Gliedes festgelegt. Nun bestimmt aber bei derartigen Schaltungen der Verlauf
der Kondensatorspannung das Ende der Stromflußzeit des Steuersignals. Meist wird
dieses beendet, wenn die Kondensatorspannung einen in der Nähe von Null liegenden
Grenzwert erreicht. Bei großen Zeitkonstanten und niedrigen Betriebsspannungen ist
aber der Verlauf der Kondensatorspannung in der Nähe dieses kritischen Wertes sehr
flach, d. h., der Schnittpunkt und damit das Ende des Ausgangsimpulses ist verhältnismäßig
unbestimmt. Solche Ungenauigkeiten sind in vielen Anwendungsfällen nicht tragbar.
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Die Genauigkeit von Schaltungen der definierten Art wird weiter noch
durch den sehr temperaturabhängigen Kollektor-Reststrom beeinträchtigt. Dieser fließt
nämlich über den Kondensator des RC-Gliedes, der sich so in völlig unkontrollierbarer
Weise entladen kann.
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Die genannten Nachteile, vor allem die starke Temperaturabhängigkeit
der Dauer der Ausgangsimpulse einer mit Transistoren und mindestens einem RC-Kopplungsglied
arbeitenden Kippschaltung sollen durch die Erfindung vermieden werden.
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Diese besteht darin, daß den Basen der Transistoren über einen Vorwiderstand
ein festes Sperrpotential
zugeführt wird und daß den Emitter-Basis-Strecken
der Transistoren Dioden antiparallel geschaltet sind.
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Im Gegensatz zu den bisher bekannten Anordnungen wird also bei der
erfindungsgemäßen Lösung die Durchsteuerzeit eines Transistors durch den Ladestrom
des Kondensators des RC-Gliedes und nicht mehr durch die Entladespannung bestimmt.
Äußerlich ist dieser wesentliche Unterschied darin erkennbar, daß bei den bekannten
Anordnungen die Basis mit dem negativen Pol, bei der vorgeschlagenen Anordnung jedoch
mit dem positiven Pol vier Spannungsquelle verbunden ist - gleichartige Transistoren
vorausgesetzt.
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Bei einer derartigen Anordnung läßt sich auch die Dauer der Ausgangsimpulse
ohne großen Aufwand abhängig von einer Steuergleichspannung verändern. Zu diesem
Zweck kann der nicht mit der Basis eines Transistors verbundene Belag des Kondensators
eines RC-Gliedes über eine Diode an eine Steuerspannungsquelle angeschlossen werden.
Die Polarität der Quelle und der Diode ist dabei so zu wählen, daß die Diode leitend
wird, sobald die Spannung an einem Kondensator einen bestimmten Wert erreicht hat.
Sobald dies der Fäll ist, fließt über den Kondensator und damit über die Emitter-Basis-Strecke
des angeschlossenen Transistors, kein Steuerstrom mehr, so daß dieser Transistor
sperrt und dadurch gleichzeitig der andere Transistor der Kippschaltung sprungartig
durchgesteuert wird.
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Die angegebene Anordnung läßt sich noch weiter durch einen Widerstand
verbessern, der zwischen den erwähnten Kondensator und den Kollektor des anderen
Transistors der Kippschaltung zu schalten ist. Durch diesen Widerstand läßt sich
die Zeitkonstante des RC-Gliedes unabhängig von der Größe des Kollektorwiderstandes
wählen. Um den Entladevorgang des Kondensators. durch diesen Widerstand nicht zu
verzögern, empfiehlt es sich, diesem Widerstand eine Diode mit entsprechender Polarität
parallel zu schalten.
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Monostabile Kippstufen entsprechend der Erfindung eignen sich besonders
gut zur Steuerung von Entladungsgefäßen und Halbleiterstromtoren. Solche Bauelemente
- meist als gesteuerte Gleichrichter verwendet - werden durch einen Steuerimpuls
in den leitenden Zustand übergeführt und bleiben leitend, bis der Strom Null wird.
Will man daher mit solchen Bauelementen die mittlere Gleichspannung eines Verbrauchers
verändern, dann müssen den Stromtoren periodische Zündimpulse zugeführt werden,
deren Frequenz der gleichzurichtenden Wechselspannung entspricht. Ihre Phasenlage
relativ zu dieser Wechselspannung soll meist von einer Gleichspannung abhängig sein.
Wenn z. B. die gleichgerichtete Spannung konstant gehalten werden soll, ist ein
Regler erforderlich, der periodische Impulse liefert, die synchron zu der gleichzurichtenden
Wechselspannung verlaufen und deren Phasenlage von der Abweichung der mittleren
Gleichspannung von einem Sollwert abhängt. Zur Lösung solcher Aufgaben läßt sich
eine erfindungsgemäße monostabile Kippstufe mit Vorteil verwenden, wenn ihr jeweils
pro Periode der gleichzurichtenden Spannung ein Triggerimpuls zugeführt wird. Die
Länge des Impulses wird durch eine Gleichspannung bestimmt, die sich als Differenz
zwischen Soll- und Istwert des Gleichrichters ergibt. Als Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist in der Figur eine Kippschaltung gezeigt, die aus den Transistoren
T1 und T2 besteht und deren Kollektorelektroden über je einen Widerstand R1 bzw.
R2 mit der negativen Klemme einer Versorgungsspannungsquelle verbunden sind. Die
Emitterelektroden der beiden Transistoren liegen auf Nullpotential, auf das in den
folgenden Betrachtungen alle übrigen Angaben bezogen werden. Die Basiselektroden
der beiden Transistoren sind über je einen Widerstand R3 bzw. R4 mit einem positiven
Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden, so daß die Transistoren auf diesem
Weg gesperrt werden, solange nicht durch die Rückkopplungszweige auf einen der beiden
Transistoren ein Durchsteuersignal gegeben wird. Einer dieser Rückkopplungszweige
verläuft von der Basis des Transistors T1 über einen Kondensator Cl. und einen Widerstand
R6 zur Kollektorelektrode des Transistors T2, dessen Basis - bei einer monostabilen
Kippschaltung - über den Widerstand RS direkt mit dem Kollektor des Transistors
T1 verbunden ist. Der Verbindungspunkt des Kondensators C1 und des Widerstandes
R6 ist über eine Diode D1 an eine Klemme F angeschlossen, deren negatives Potential
verändert werden kann.
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Solange der Eingangsklemme E, die über eine Diode D3 mit der Basis
des Transistors T2 verbunden ist, kein positives Steuerpotential zugeführt wird,
ist Transistor T2 durchgesteuert und Transistor T1 gesperrt.
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Durch ein kurzzeitiges positives Eingangssignal wird Transistor T2
gesperrt, so daß dessen Kollektorpotential negativ wird und infolgedessen über die
Emitter Basis-Strecke des Transistors T1 ein Ladestrom in den Kondensator C1 fließen
kann. Während dieser Aufladezeit des Kondensators C1 ist Transistor T1 durchgesteuert,
so daß dessen niedriges Kollektorpotential rückwirkend über den Widerstand R5 den
Transistor T2 auch gesperrt hält, wenn das Eingangssignal E wegfällt. Unterschreitet
das Potential des Punktes B während dieses Aufladevorganges den Wert des Potentials
der Klemme F, dann wird Diode D1 plötzlich leitend, so daß von diesem Zeitpunkt
an kein Ladestrom mehr über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors T1 fließen
kann und dieser Transistor plötzlich gesperrt wird.
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Soll der Transistor T1 bei einem folgenden Eingangsimpuls wieder durchgesteuert
werden, dann muß der Kondensator C1 in der Zwischenzeit entladen werden. Diese Entladung
soll dabei mit möglichst geringer Zeitkonstante vor sich gehen. Der Entladungsstromkreis
für den Kondensator wird dabei vorteilhafterweise so gewählt, daß der Transistor
T2 beschleunigt durchgesteuert wird und somit die Kippstufe in kürzester Zeit wieder
in den Bereitschaftszustand übergeführt wird. Der Entladestromkreis verläuft von
dem mit der Basis des Transistors T1 verbundenen Kondensatorbelag (auf positivem
Potential) über die Diode D., die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T2 und
Diode D4.
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Mit den gleichen schaltungstechnischen Maßnahmen läßt sich auch eine
astabile Kippschaltung aufbauen, bei der die Impulslänge der Ausgangsspannung abhängig
von einer Steuerspannung stetig verändert werden kann und die die gleichen vorteilhaften
Eigenschaften hat wie die eben beschriebene Schaltung (Temperaturkonstanz). Eine
solche Schaltung ergibt sich; wenn in der Figur die Kurzschlußbrücke
zwischen
den Klemmen k1 und k2 herausgetrennt und zwischen den Klemmen k3 und k4 die Diode
D$, den Klemmen k5, k6 die Diode D2 angeschlossen wird.