DE1171953B

DE1171953B - Transistorgesteuerter Lastkreis

Info

Publication number: DE1171953B
Application number: DEU8406A
Authority: DE
Inventors: Richard Henry Graham
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1960-10-28
Filing date: 1961-10-18
Publication date: 1964-06-11
Also published as: GB933667A; US3177373A; CH404722A; FR1304388A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 03 k

Deutsche Kl.: 21 al - 36/18

Nummer: 1171 953

Aktenzeichen: U 8406 VIII a / 21 al

Anmeldetag: 18. Oktober 1961

Auslegetag: 11. Juni 1964

Die Erfindung betrifft einen transistorgesteuerten Lastkreis mit einem emittergeerdeten Steuertransistor und mit einem mit einem Lastkreis gekoppelten Schalttransistor von entgegengesetzem Leitfähigkeitstyp, deren Emitter miteinander verbunden sind.

Die Anwendung des Transistors in elektronischen Schaltungen hat zahlreiche Verbesserungen im Vergleich zu herkömmlichen, mit Vakuumröhren gesteuerten Schaltkreisen gebracht, was z. B. die Zuverlässigkeit, die gedrängte Bauweise, die Wirtschaftlichkeit und die Transportfähigkeit betrifft. Trotz dieser Vorteile in vieler Hinsicht ist der Transistor infolge seiner Grundeigenschaft im allgemeinen nur für den Niederspannungsbetrieb geeignet. Deshalb treten bei Verwendung von Transistoren in elektronischen Schaltkreisen große Schwierigkeiten auf, wenn hohe Spannungen geschaltet werden sollen, die mit denen vergleichbar sind, welche aus mit Vakuumröhren gesteuerten Schaltkreisen zur Verfügung stehen, während noch eine ausreichende Leistungsfähigkeit bezüglich der Arbeitsgeschwindigkeit und der Wirtschaftlichkeit beibehalten werden soll.

Für zahlreiche Verwendungszwecke von elektronischen Schaltkreisen ist es wünschenswert, Signale mit relativ hoher Spannung zu erzeugen. Zum Beispiel für die elektronische Rechentechnik ist oft eine visuelle Anzeige der elektrischen Stellung der verschiedenen Rechenschaltkreise erforderlich. Hierfür werden vorzugsweise Glimmentladungsröhren, wie z. B. Neonlampen, verwendet, um die Ausgangsinformationen von Instrumenten, wie z. B. von Rechenmaschinen, Zählgeräten u. dgl., anzuzeigen. Obgleich Glimmentladungsröhren für diese aufgeführten Zwecke besonders geeignet sind, ist eine relativ große Spannung erforderlich, um sie zu zünden und dadurch einzuschalten. Während auf diese Weise Neonlampen leicht in mit Vakuumröhren gesteuerten Schaltkreisen verwendet werden können, ist es ein schwierigeres Problem, diese in transistorgesteuerten Schaltkreisen zu verwenden.

Um die Erfindung an Hand einer bevorzugten Ausführungsform nachstehend zu beschreiben, wird zunächst der weitverbreitete Schaltkreis, der als Multivibrator (nachstehend als MV bezeichnet) bekannt ist, betrachtet. Der MV gehört zu einer allgemeinen Klasse von Schaltkreisen, die frei schwingende bistabile und monostabile Einheiten aufweisen. Im nachfolgenden wird eine übliche Eccles-Jordan-Schaltung diskutiert, wobei im einzelnen auf »Junction Transistor Electronics« von Richard B. Hurley, S. 424 bis 427, Bezug genommen wird. Der bistabile MV besitzt zwei Transistoren, deren Emitter geerdet Transistorgesteuerter Lastkreis

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

Richard Henry Graham, Walnut Creek, Calif.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 28. Oktober 1960 (65 875)

sind und die so miteinander gekoppelt sind, daß ein Transistor in einem nichtleitenden Zustand ist, wenn der andere in einen Zustand hoher Leitfähigkeit getriggert wurde. Deshalb bestehen die zwei möglichen Zustände eines MV-Transistors im allgemeinen aus dem Leitfähigkeitsaistand und dem Nichtleitfähigkeitszustand. Diese Zustände werden allgemein mit ON bzw. OFF bezeichnet.

Das übliche System, um die Information, die durch den elektrischen Zustand eines MV-Transistors dargestellt wird, abzutasten oder zu verwenden, besteht im allgemeinen darin, einen Lastwiderstand zwischen MV-Kollektor und Erde zu schalten. Es wird jedoch leicht klar, daß die an dem Kollektor liegende Ausgangsspannung nicht größer als die MV-Versorgungsspannung sein kann und daß deshalb diese bei MV-Schaltungen nicht groß genug ist, um eine Neon-Glimmlampe zu zünden. Es stehen natürlich besondere Hochspannungstransistoren zur Verfügung, die in die MV-Schaltung eingebracht werden können. Diese Hochspannungstransistoren, die ziemlich teuer sind, wenn sie eine gute Qualität aufweisen, führen unglücklicherweise noch zu einem anderen Problem, nämlich zu dem der Beschränkung auf einem bestimmten Frequenzbereich und der Arbeitsgeschwindigkeit des MV. Genauer gesagt, bei niederen Spannungen kann ein MV so ausgelegt werden, daß er mit einer Schwingfrequenz von über 10 Megahertz arbeitet, jedoch bei Verwendung eines Hochspannungsgermaniumtransistors wird die MV-Arbeitsgeschwindigkeit bestenfalls auf 100 Kilohertz beschränkt. Es kann daraus ersehen werden, daß die

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direkte Ankopplung eines Lastwiderstandes an dem Kollektor eines MV-Transistors kein: brauchbares Mittel ist, um Hochspannungssignale zu erzeugen.

Eine übliche Einrichtung, um diesen Hochspannungsausgang aus einem MV zu erhalten, besteht darin, eine Verstärkerstufe mit dem Kollektor des MV-Transistors zu koppeln. Dieses Vorgehen führt jedoch zu Schwierigkeiten, da eine einzelne Verstärkerstufe dazu neigt, den MV zu entladen und zu unterbrechen oder seine Leistung herabzusetzen. Um deshalb einen Hochspannungsausgang auf diese Weise zu erhalten, der nicht herabgesetzt ist, ist es erforderlich, einen Zwischenkreis zwischen den MV-Kollektorausgang und die Verstärkerstufe zu schalten. Es kann leicht eingesehen werden, daß diese Maßnahme zwei zusätzliche Transistoren zu jedem MV-Transistor erforderlich macht, wodurch ein schwerwiegendes wirtschaftliches Problem dann entsteht, wenn eine größere Menge von MV-Schaltkreisen verwendet wird, wie das oftmals bei Rechenmaschinen vorkommt. Darüber hinaus neigen solche Stufenschaltungen ebenfalls dazu, die Frequenzbreite der gesamten Schaltung zu beschränken. Die Erfindung schafft eine Lösung dieses entstehenden Problems durch einfache und Wirtschaftliche Einrichtungen, um einen hohen Spannungsausgang aus einem Niederspannungskreis zu erhalten, indem der Emitter des Steuertransistors über den Emitter und die an Erde liegende Basis des einzigen Schalttransistors geerdet ist und der Lastkreis einen Widerstand und eine Stromquelle aufweist, die nur mit dem Kollektor des Schalttransistors in Reihe geschaltet und über dessen Basis geerdet sind.

Hierdurch werden folgende Vorteile erhalten: Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen wird nur ein einziger Transistor benötigt, der einen Lastkreis mit einem bistablen Schalter in Reihe koppelt, um als Spannungsisolierung, als Widerstandsanpassung und Verstärkung zu wirken. Durch den vernachlässigbaren Widerstand zwischen dem MV und Erde arbeitet der Schalter so, als wenn sein Emitter direkt mit der Erde verbunden ist, wodurch ein Ausgangssignal erhalten wird, das den MV-Betrieb nicht beeinflußt oder verschlechtert. Eine Rückkopplungsleitung ist dabei nicht erforderlich. Es kann ein Hochspannungsausgang an dem Lastwiderstand in zeitlicher Übereinstimmung mit einem Niederspannungsausgang an dem Steuertransistor erhalten werden, ohne daß eine verschlechternde Rückwirkung auf den normalen Betrieb des Steuertransistors ausgeübt wird und ohne daß eine Rückkopplungsschleife oder eine Rückkopplungsersatzschaltung erforderlich ist.

Die Hochfrequenzeigenschaften des MV-Kreises werden trotz des Hochspannungsausgangs einer erfindungsgemäßen Schaltung, der einem Niederspannüngsausgang eines MV entspricht, beibehalten.

Die Erfindung löst das Problem des Hochspannungsausgangs im Vergleich zu üblichen Einrichtungen von einem völlig verschiedenen Gesichtspunkt aus. Aus den vorstehenden Ausführungen kann entnommen werden, daß mit bekannten Schaltkreisen im allgemeinen versucht wird, die an dem Kollektor des MV-Transistors mit dem geerdeten Emitter zur Verfugung stehende Spannung zu verwenden. Auf diese Weise müssen bekannte Schaltkreise so aufgebaut werden, daß sie eine hohe Impedanzlast erzeugen, um ein Verschlechtern der MV-Tätigkeit zu verhindern. Sogar kleinere Schwankungen in dem Lastkreis können in der Lage sein, die MV-Tätigkeit zu stören. Mit der Erfindung wird grundsätzlich beabsichtigt, den MV-Schaltkreis sowenig als möglich zu belasten, d. h. die MV-Information zu verwerten, während gleichzeitig verhindert wird, daß der MV belastet wird. Um dieses Ergebnis zu erhalten, wird gemäß der Erfindung der Belastungsvorgang an dem Emitter eines Transistors mit geerdetem Emitter vorgenommen. Es wird dabei ein Transistorschalter mit

ίο einer Impedanz von im wesentlichen Null in den MV-Emitterkreis eingesetzt, wobei dieser Schalter den Schaltvorgang für die hohe Spannung übernimmt. Auf diese Weise führt die Erfindung die bisher schwierige Arbeitsweise der Erzeugung hoher Spannung aus, während die Hochfrequenzeigenschaften bewahrt bleiben.

Es ist bereits eine Schaltung mit komplementären Transistoren bekannt, die so gekoppelt sind, daß. der Ausgang des ersten Transistors mit der Eingangs-

ao elektrode des zweiten Transistors verbunden und der Ausgang des zweiten Transistors zur Basis des ersten Transistors rückgekoppelt ist. In dem Rückkopplungskreis liegen eine Stromquelle und ein Widerstand in Reihe. Der so gebildete Lastkreis ist also mit beiden

as Transistoren gekoppelt. Diese bekannte Schaltung ist auf den bistabilen Schalter beschränkt, in dem die im Gegentakt arbeitenden Schalttransistoren gleiche Funktionen erfüllen. Eine Spannungsverstärkung in erfindungsgemäßem Sinn kann mit der bekannten An-Ordnung nicht erfolgen.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

In der Zeichnung ist eine übliche bistabile Eccles-Jordan-MV-Schaltung 11 dargestellt. Zwei gleiche und symmetrisch angeordnete Transistoren 12 und 12' sind die wesentlichen Bestandteile der Schaltung 11, und ihre elektrischen Zustände bestimmen den Informationszustand des MV. Die MV-Schaltung 11 besitzt zwei stabile Informationszustände, in einem ist der Transistor 12 im Zustand ON und der Transistor 12' im Zustand OFF. In dem anderen ist der Transistor 12 im Zustand OFF und der Transistor 12' im Zustand ON. Die übrigen Komponenten der Schaltung 11 weisen ein Paar identische, über Kreuz geschaltete Widerstände 13 und 13' auf, wobei der Widerstand 13 zwischen der Basis des Transistors 12 und dem Kollektor des Transistors 12' und der Widerstand 13' in ähnlicher Weise zwischen der Basis des Transistors 12' und dem Kollektor des Transistors 12 liegt. Ein Paar gleicher Kapazitäten 14 und 14' sind parallel zu den Widerständen 13 und 13' geschaltet. Die Schaltung 11 wird vermittels einer Kollektorversorgungsspannung, die an der Klemme 16 liegt, und einer Basisversorgungsspannung, die an der Klemme 17 liegt, mit Strom versorgt. Ein Paar identischer Kollektorwiderstände 18 und 18' ist zwischen die Versorgungsklemme 16 und die Kollektoren der Transistoren 12 bzw. 12' geschaltet. Ebenfalls liegt ein Paar von identischen Basiswiderständen 19 und 19' zwischen der Versorgungsklemme 17 und der Basis des Transistors 12 sowie der Basis des Transistors 12'. Es wird festgestellt, daß bei der Schaltung 11 ebenso wie bei bekannten Schaltungen die beiden Emitter 21 und 21' der Transistoren 12 und 12' direkt an Erde liegen. Die bekannte Art und Weise der Informationsverwendung würde darin bestehen, die Potentiale, die an jedem Kollektor der Transitoren 12 und 12' liegen, direkt zur Spannungs-

Claims

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verstärkung zu verwenden. An Stelle.daß die Emitter sistor 12 im. Zustand OFF ist, ist es natürlich nicht

21 und 21' an Erde liegen, sind sie gemäß der Erfin- von Bedeutung, ob der Emitter geerdet ist oder nicht, dung mit Lastkreisen 22 bzw. 22' gekoppelt. Da die Es ist leicht daraus ersichtlich, daß der Transistor 24 Schaltung 11 vollständig symmetrisch ist, beschränkt in die Stellungen ON und OFF in genauer Übereinsich die Beschreibung auf nur die eine Seite der- 5 Stimmung mit dem elektrischen Zustand mit dem selben, nämlich den Transistor 12 und den mit diesem Transistor 12 geschaltet wird. Es ist weiter ersichtgekoppelten Lastkreis 22. Die wesentliche Kompo- lieh, daß der Transistor 24 von dem Transistor 12 nente des Kreises 22 ist ein Transistor 24_T dessen geschaltet wird, während dieser Transistor 12 seinen Basis geerdet ist und dessen Emitter 26 an dem Emit- Schaltvorgang ausübt.

ter 21 liegt. Es wird besonders hervorgehoben, daß io Ein weiterer Vorteil von großer Bedeutung besteht der Transistor 24 zu dem MV-Transistor 12 entgegen- darin, daß ein Transistor mit geerdeter Basis ein viel gesetzt gepolt ist, d. h., wenn der Transisto,i.l2 ein höheres Kollektorpotential aushält als ein Transistor NPN-Transistor ist, dann muß der Transistor 24 ein mit geerdetem Emitter. Auf diese Weise kann der PNP-Transistor sein. Dies ist erforderlich, um einen Transistor 24 ein billiger Typ sein und leicht Spankontinuierlichen Stromfluß von dem Emitter 21 zu 15 nungsänderungen von etwa 100 Volt ohne irgenddem Emitter 26 zu erzeugen. Die Notwendigkeit welche nachteiligen Folgen auf die Frequenzabhändieser Maßnahme wird aus der nachfolgend beschrie- gigkeit aushalten. Darüber hinaus kann der Tranbenen Arbeitsweise der Schaltung klar. sistor 12 ebenfalls ein einfacher, billiger Bestandteil Bezüglich der übrigen Komponenten des Kreises der Schaltung sein, der erforderlicherweise normale

22 ist zu ersehen, daß der Transistor 24 eine Aus- 20 Eigenschaften besitzt. Auf diese Weise ist die einzige gangsklemme 27 besitzt, die direkt an dem Kollektor praktische Variable bei der Bestimmung der Span-28 dieses Transistors liegt. Zwischen Erde und dem nungsänderung, die an der Klemme 27 abgegriffen Kollektor 28 liegen in Reihe eine Batterie 29 und ein wird, die Größe der Versorgungsspannung 29.
Lastwiderstand 31, wobei der Kollektor 28 gegen- Für eine in der Zeichnung dargestellte Schaltung über Erde auf einem negativen Potential liegt. 25 werden nachfolgend die Daten für eine praktische

Bezüglich der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schaltung gegeben:

Schaltung ist es klar, daß an Stelle der Verwendung j ^ 2 N169 A

des Kollektorpotentials zur Anzeige der Informations- t->a ? μ ίδ,ί

Stellung der MV-Schaltung 11 erfindungsgemäß der Z* 17 in 1,

Strom verwendet wird, der durch den Transistor 12 30 ^R ³¹ ⁴'⁷ Kilohm

mit dem geerdeten Emitter fließt, um einen isolierten ^B ²^ (—) 45 Volt

äußeren Belastungskreis 22 zu triggern, der verhält- i? 13, i? 13' 3 Kilohm

nismäßig hohe Spannungen steuern kann. Es wird C14, C14' 250 Mikrofarad

festgestellt, daß der Transistor 24 im wesentlichen als R18, R18' 1,5 Kilohm

Schalter in der gleichen Weise wie der Transistor 12 35 R19, R19' 1,0 Kilohm

arbeitet. Auf diese Weise liegt, wenn der Transistor β \l (+) löVolt

24 in der Stellung OFF ist, die Ausgangsklemme 27 _ß -^ ,\ ^ 5 y_oj_t

im wesentlichen an dem negativen Potential der Bat- '

terie 29. Wenn der Transistor 24 in der Stellung OiV Die dargestellte Schaltung, deren Komponenten

ist, liegt die Ausgangsklemme 27 im wesentlichen auf 40 die oben angeführten Daten besitzen und die mit

Erdpotential. üblichen Schalteinnchtungen miteinander verbunden

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen sind, kann bei Geschwindigkeiten um 1 Megahertz

darin, daß der Emitter 21 des Transistors 12 direkt arbeiten. Die Spannungsänderung an dem Kollektor

an den Emitter 26 des Transistors 24 mit der geerde- des Transistors 24 beträgt etwa 45 Volt, wenn sie

ten Basis angeschlossen ist. Im hochleitenden Zu- 45 durch die Kollektorversorgungsspannung gesteuert

stand ist die Eingangsimpedanz zu dem Emitter eines wird. Diese Ausgangsspannung ist etwa dreimal so

Transistors mit geerdeter Basis im wesentlichen ver- groß wie die 16 Volt betragende Änderung, die an

nachlässigbar. Auf diese Weise wird der Emitter 21, dem Kollektor des Transistors 12 zur Verfügung

der in bekannten Schaltungen direkt mit der Erde steht. Die erfindungsgemäße Schaltung ist in ausge-

verbunden ist, erfindungsgemäß über einen Tran- 50 zeichneter Weise geeignet, die Ausgangsspannung

sistor geerdet, der eine Impedanz von nahezu Null einer bekannten transistorgesteuerten bistabilen

besitzt. Wenn deshalb der Transistor 12 im Zustand Eccles-Jordan-MV-Schaltung ohne störenden Einfluß

OFF ist, wird der Emitter 21 praktisch direkt geerdet. auf dieselbe zu verstärken. Die erfindungsgemäßen

Hingegen, wenn der Transistor 12 im Zustand ON ist, Maßnahmen können darüber hinaus in sehr vielen

wird dem Transistor 24 ein großer Strom zugeführt, 55 Fällen verwendet werden, wenn der Ausgang eines

der ihn ebenfalls in den Zustand ON bringt. Diese Transistors mit geerdetem Emitter ohne Durchschlag

letztere Funktion ist dadurch möglich, daß die Emit- des Belastungskreises verstärkt werden soll,

ter von zwei entgegengesetzt polarisierten Transisto- Die vorstehende Beschreibung eines bestimmten

ren zusammengekoppelt sind, wodurch der Strom von Ausführungsbeispiels wurde nur zur Erläuterung der

einem Emitter in den anderen fließen kann. Auf diese 60 Erfindung gewählt. Die Erfindung kann selbstver-

Weise, wird, obgleich der Emitter 21 bezüglich der ständlich auf andere, ähnlich gelagerte Fälle ange-

Schaltung 11 geerdet ist, der Emitterstrom die wich- wandt werden,

tige Funktion ausüben, den Schalttransistor 24 leitend Patentansprüche·
zu machen. Es wird also festgestellt, daß, wenn der

Transistor 12 in der Stellung OFF ist, im wesent- 65 1. Transistorgesteuerter Lastkreis mit einem

liehen kein Strom durch ihn und deshalb auch keiner emittergeerdeten Steuertransistor und einem mit

durch den Transistor 24 fließt, wodurch der letztere einem Lastkreis gekoppelten Schalttransistor von

ebenfalls in dem Zustand OFF ist. Wenn der Tran- entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, deren Emit-

ter miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des Steuertransistors (21) über den Emitter und die an Erde liegende Basis des einzigen Schalttransistors (24) geerdet ist und daß der Lastkreis (22) einen Widerstand (31) und eine Stromquelle (29) aufweist, die nur mit dem Kollektor des Schalttransistors (24) in Reihe geschaltet und über dessen Basis geerdet sind.

2. Transistorgesteuerter Lastkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuertransistor ein Steuertransistor eines Mulivibratorkreises ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 1 029 871;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1 029 874,
880, 1077706.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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