DE1174838B

DE1174838B - Toggle switch

Info

Publication number: DE1174838B
Application number: DEL46576A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Miran Milkovic
Original assignee: Landis and Gyr AG
Current assignee: Landis and Gyr AG
Priority date: 1963-11-29
Filing date: 1963-12-12
Publication date: 1964-07-30
Also published as: CH411034A; SE304313B

Description

Kippschaltung Die Erfindung betrifft eine Kippschaltung mit Transistoren nach Art eines Schmitt-Triggers, die durch eine zumeist stetig veränderliche Eingangsgröße ausgesteuert wird und dabei als Verstärker mit unstetiger Charakteristik auf ein Relais wirkt.Flip-flop The invention relates to a flip-flop with transistors in the manner of a Schmitt trigger, which is triggered by a mostly constantly changing input variable is controlled and thereby as an amplifier with discontinuous characteristics on Relay works.

Die Eingangsgröße erreicht beim Durchlaufen ihres normalen Änderungsbereiches einen oberen und einen unteren .Schwellenwert der Charakteristik der Kippschaltung, und diese kippt dabei jeweils in einen elektrischen Zustand, der dem gerade erreichten Schwellenwert zugeordnet ist. Es sind zwei elektrische Zustände der Kippschaltung möglich; beim ersten ist das Relais erregt, beim zweiten entregt. Die Schwellenwerte können in der Regel als Festpunkte der Charakteristik aufgefaßt werden; ihre Lage richtet sich nach der elektrischen Bemessung der Kippschaltung. Mithin gilt der Betrag der Eingangsgröße als Kriterium für den Schaltzustand des Relais.The input variable reaches its normal range of change when it passes through an upper and a lower threshold value of the characteristic of the flip-flop circuit, and this switches to an electrical state that corresponds to the one just reached Threshold is assigned. There are two electrical states of the toggle switch possible; with the first the relay is energized, with the second de-energized. The thresholds can usually be understood as fixed points of the characteristic; their location depends on the electrical rating of the trigger circuit. Hence the Amount of the input variable as a criterion for the switching state of the relay.

Eine Schaltung der genannten Art dient bekanntlich dazu, um Schalthandlungen auszulösen, wenn ein dem Eingang der Kippschaltung zugeführtes, verhältnismäßig schwaches Signal Grenzwerte seines Änderungsbereiches erreicht oder überschreitet. Wenn die absolute Änderung des Signals relativ groß ist, arbeiten solche Schaltungen einwandfrei. Sollen jedoch sehr kleine Signaländerungen erfaßt werden, so ergeben sich bei den bekannten Kippschaltungen Schwierigkeiten, und es muß zumeist eine Zwischenverstärkung vorgesehen werden.A circuit of the type mentioned is known to be used to perform switching operations to trigger when a signal fed to the input of the flip-flop circuit is relatively weak signal reaches or exceeds limits of its range of change. Such circuits work when the absolute change in the signal is relatively large perfect. However, if very small signal changes are to be detected, so result with the known flip-flops difficulties, and it usually has to be Intermediate reinforcement can be provided.

Das erwähnte Relais ist elektromechanischer oder elektronischer Natur. Bei Verwendung eines elektronischen Relais und einer impulsförmigen Eingangsgröße dient die genannte Kippschaltung vielfach als sogenannter Impulsformer. Für solche Einrichtungen gilt das im vorstehenden und folgenden Gesagte gleichermaßen, wenn sehr schwache Impulse oder schmale Amplitudenbereiche eines Impulsamplitudenspektrums zuverlässig erfaßt werden sollen.The relay mentioned is electromechanical or electronic in nature. When using an electronic relay and a pulse-shaped input variable the mentioned flip-flop is often used as a so-called pulse shaper. For such Facilities, what has been said above and below applies equally if very weak pulses or narrow amplitude ranges of a pulse amplitude spectrum should be reliably detected.

Ziel der Erfindung ist, bei einer Kippschaltung der genannten Art mit einfachsten Mitteln eine sehr wirkungsvolle Beeinflussung des Schwellenwertabstandes, der sogenannten Schalthysterese, zu erreichen, vorzugsweise die Hysterese wesentlich zu verkleinern und dadurch die Empfindlichkeit der Schaltung zu steigern.The aim of the invention is, in a flip-flop circuit of the type mentioned very effective influencing of the threshold value distance with the simplest means, the so-called switching hysteresis, preferably the hysteresis substantially to reduce the size and thereby increase the sensitivity of the circuit.

Bei einer Kippschaltung mit Transistoren, bei der an einen ersten Transistor ein Relais angeschlossen und dem mit einem Steuerelement versehenen Eingang eines zweiten Transistors eine veränderbare Steuerleistung zugeführt ist, die zur Auslösung einer Steuerwirkung innerhalb der verfügbaren Steuer-Leistung des Steuerelementes beim Ansteigen einen oberen Schwellenwert und beim Abnehmen einen von diesem um den Betrag der Schalthysterese entfernten unteren Schwellenwert mindestens erreicht, wobei die Kippschaltung jeweils denjenigen von zwei möglichen elektrischen Zuständen annimmt, der dem gerade erreichten Schwellenwert entspricht, ist dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Emitter-Kollektor-Strecke des ersten Transistors ein Widerstand parallel geschaltet und so bemessen ist, daß die Schalthysterese stets kleiner ist als die kleinste verfügbare Steuerleistung des Steuerelementes.In the case of a multivibrator with transistors, in the case of a first Transistor connected to a relay and the input provided with a control element a second transistor, a variable control power is supplied to Triggering of a control effect within the available control power of the control element an upper threshold value when increasing and one of this when decreasing at least reaches the lower threshold value removed from the switching hysteresis, the flip-flop circuit being one of two possible electrical states assumes which corresponds to the threshold value just reached, this is according to the invention achieved in that a resistor to the emitter-collector path of the first transistor connected in parallel and dimensioned so that the switching hysteresis is always smaller as the smallest available control power of the control element.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein Schaltbild, F i g. 2 ein Diagramm und F i g. 3 bis 6 Schaltungsvarianten.Embodiments of the invention are detailed with reference to the drawing explained. It shows F i g. 1 is a circuit diagram, FIG. 2 is a diagram and FIG. 3 up to 6 circuit variants.

Die Stromversorgung der Schaltung gemäß der F i g. 1 erfolgt durch eine Gleichspannungsquelle 1, die eine Batterie oder ein stabilisiertes Netzanschlußgerät sein kann, über Leitungen 2 und 3, von denen in Punkten 4, 5, 6, 7 und 8 Strompfade abgezweigt sind. Zwischen den Leitungen 2,3 liegt außerdem ein Spannungsteiler 9 mit einem zur Einstellung des Arbeitspunktes der Schaltung vorzugsweise veränderbaren Abgriff 10. Der Strompfad 4-5 enthält zwei Widerstände 11 und 12 sowie die Emitter-Kollektor- Strecke eines ersten Transistors 13, zu der ein vorzugsweise regelbarer Widerstand 14 parallel geschaltet ist.The power supply of the circuit according to FIG. 1 is carried out by a DC voltage source 1, which can be a battery or a stabilized power supply unit, via lines 2 and 3, from which current paths are branched off at points 4, 5, 6, 7 and 8. Between the lines 2, 3 there is also a voltage divider 9 with a tap 10 that can preferably be changed for setting the operating point of the circuit. The current path 4-5 contains two resistors 11 and 12 and the emitter-collector path of a first transistor 13, to which a preferably adjustable resistor 14 is connected in parallel.

Die Basis des Transistors 13 steht in einem Schaltungspunkt 15 mit einer aus drei Widerständen 16, 17 und 18 gebildeten und an den Punkten 6 und 7 gespeisten Widerstandskette in Verbindung, an deren Verbindungspunkt 19 der Kollektor eines zweiten Transistors 20 angeschlossen ist.The base of the transistor 13 is connected to a circuit point 15 one formed from three resistors 16, 17 and 18 and at points 6 and 7 fed resistor chain in connection, at the connection point 19 of the collector a second transistor 20 is connected.

Zwischen dem Abgriff 10 des Spannungsteilers 9 und dem Punkt 8 liegt ein weiterer Spannungsteiler mit einer Anschlußstelle 21, der aus einem Widerstand 22 und einem als veränderbarer Widerstand ausgebildeten Steuerelement 23 besteht. Die Emitter der Transistoren 13 und 20 sind in einem Schaltungspunkt 24 unmittelbar verbunden.Between the tap 10 of the voltage divider 9 and the point 8 lies Another voltage divider with a connection point 21, which consists of a resistor 22 and a control element 23 designed as a variable resistor. The emitters of the transistors 13 and 20 are in a circuit point 24 directly tied together.

Die Anschlußstelle 21 wird als Eingang der Schaltung bezeichnet, während ein Schaltungspunkt 25 zwischen dem Kollektor des Transistors 13 und dem Widerstand 11 gewöhnlich als Ausgang der Schaltung gilt. Der Widerstand 11 versinnbildlicht hier einen Verbraucher, also z. B. ein Relais oder den Eingang einer Folgeschaltung.The connection point 21 is referred to as the input of the circuit while a node 25 between the collector of transistor 13 and the resistor 11 is usually considered to be the output of the circuit. The resistor 11 symbolizes here a consumer, so z. B. a relay or the input of a sequential circuit.

Die Wirkungsweise der soeben beschriebenen Schaltung geht aus dem Strom-Spannungs-Diagramm der F i g. 2 hervor. Eine Widerstandsänderung des Steuerelementes 23 (F i g. 1) ruft ein Anwachsen bzw. Abnehmen der Eingangsspannung U hervor, die in der F i g. 2 auf der Abszisse aufgetragen ist. Erreicht die Eingangsspannung U beim Ansteigen einen oberen Schwellenwert So, so kippt die Schaltung in bekannter Weise in einen diesem Schwellenwert zugeordneten elektrischen Zustand. Das Zurückkippen erfolgt, wenn die Eingangsspannung U auf einen unteren Schwellenwert S" abgesunken ist. Auf der Kennlinie A ist dem Schwellenwert S" der Kippunkt K", dem Schwellenwert So der Kippunkt K, zugeordnet. Der Abszissenabstand der Punkte K" und K, heißt Spannungshysterese, ihr Ordinatenabstand Stromhysterese. Da die Aussteuerung einer Transistorschaltung eine Steuerleistung erfordert, wird in Zusammenfassung dieser Begriffe im folgenden von Schalthysterese gesprochen.The mode of operation of the circuit just described is based on the current-voltage diagram in FIG. 2 emerges. A change in resistance of the control element 23 (FIG. 1) causes an increase or decrease in the input voltage U, which is shown in FIG. 2 is plotted on the abscissa. If the input voltage U reaches an upper threshold value So when it rises, the circuit flips in a known manner into an electrical state associated with this threshold value. The tilting back takes place when the input voltage U has dropped to a lower threshold value S ". On the characteristic curve A , the threshold value S" is assigned the tilt point K ", the threshold value So the tilt point K Voltage hysteresis, its ordinate distance current hysteresis. Since the modulation of a transistor circuit requires a control power, a summary of these terms is referred to below as switching hysteresis.

Die Kennlinie A zeigt das Verhalten der Schaltung nach der F i g. 1, wenn der Widerstand 14 unendlich groß ist. Eine Verkleinerung des Widerstandes 14 bewirkt ein Zusammenrücken der Kippunkte; in einer Versuchsschaltung wurde mit einem Wert des Widerstandes 14 von 100 Ohm die Kennlinie B erzielt. Je kleiner also der Wert des Widerstandes 14 ist, desto kleiner wird die Schalthysterese. Zwischen beiden Kennlinien A und B läßt sich bei geeigneter Wahl des Widerstandes 14 jede beliebige Kennlinienlage einstellen.The characteristic curve A shows the behavior of the circuit according to FIG. 1 when the resistance 14 is infinitely large. A reduction in the resistance 14 causes the tipping points to move closer together; In a test circuit, the characteristic curve B was achieved with a value of the resistor 14 of 100 ohms. The smaller the value of the resistor 14 , the smaller the switching hysteresis becomes. With a suitable choice of the resistor 14, any position of the characteristic curve can be set between the two characteristic curves A and B.

Der Übersicht halber sind in der F i g. 2 die unteren Äste a und b der Kennlinien A und B deutlich auseinandergezogen. Tatsächlich fallen jedoch sämtliche Punkte K, der Kennlinienschar annähernd in einem Punkt zusammen, d. h., der obere Schwellenwert bleibt bei allen Einstellungen des Widerstandes 14 nahezu konstant.For the sake of clarity, FIG. 2 the lower branches a and b of the characteristic curves A and B are clearly drawn apart. In fact, however, all points K 1 of the family of characteristics coincide approximately at one point, ie the upper threshold value remains almost constant with all settings of the resistor 14.

Die Anordnung des Widerstandes 14 bringt nicht nur den Vorteil einer äußerst wirkungsvollen Einflußnahme auf die Schalthysterese, sondern bewirkt außerdem eine starke Abflachung der Belastungskurve der Gleichspannungsquelle 1, weil hierbei der Widerstand 16 hochohmig sein kann. Die Gleichspannungsquelle 1 ist daher in jeder der beiden elektrischen Zustände, welche die Kippschaltung annehmen kann, annähernd gleich belastet. Dies vereinfacht die Auslegung z. B. eines stabilisierten Netzanschlußgerätes wesentlich.The arrangement of the resistor 14 not only has the advantage of influencing the switching hysteresis extremely effectively, but also causes the load curve of the DC voltage source 1 to be flattened because the resistor 16 can have a high resistance. The DC voltage source 1 is therefore loaded approximately equally in each of the two electrical states which the flip-flop can assume. This simplifies the design z. B. a stabilized power supply unit is essential.

Für Anwendungsfälle der Erfindung, in denen lediglich eine kleine Schalthysterese, nicht aber deren Veränderbarkeit gefordert ist, kann als Widerstand 14 die Wicklung eines Relais gewählt werden. Dies zeigt die F i g. 3, in der ein Teil der Schaltung nach der F i g. 1 in veränderter Form dargestellt ist. Gleiche Teile wie in der F i g. 1 sind in der F i g. 3 und auch in den F i g. 4, 5 und 6 mit den in der F i g. 1 gewählten Bezugszahlen bezeichnet.For applications of the invention in which only a small switching hysteresis, but not its variability, is required, the winding of a relay can be selected as the resistor 14. This is shown in FIG. 3, in which part of the circuit according to FIG. 1 is shown in a modified form. Same parts as in FIG. 1 are shown in FIG. 3 and also in FIGS. 4, 5 and 6 with the in the F i g. 1 designated reference numerals.

Im Schaltungsdetail der F i g. 3 liegt elektrisch parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 13 ein Relais 26 mit wenigstens einem Schaltkontakt 27; der Widerstand 11 ist in diesem Fall ein normaler ohmscher Widerstand. Diese Anordnung des Relais 26 hat außerdem gegenüber seiner Anordnung an der Stelle des Widerstandes 11 den Vorteil, daß für die Aussteuerung des Relais 26 ein größerer Stromhub zur Verfügung steht.In the circuit detail of FIG. 3 is electrically parallel to the emitter-collector path of the transistor 13, a relay 26 with at least one switching contact 27; the resistance In this case, 11 is a normal ohmic resistance. This arrangement of the relay 26 also has the opposite of its arrangement at the location of the resistor 11 The advantage that a larger current swing is available for modulating the relay 26 stands.

Will man dennoch auf die Schalthysterese während des Betriebes der Schaltung Einfluß nehmen, so ist die Schaltungsart nach der F i g. 4 zu wählen, bei welcher der Widerstand 12 als Potentiometer 28 ausgebildet und ein Ende der Wicklung des Relais 26 an dessen Abgriff 29 angeschlossen ist. Bei dieser Schaltungsart tritt allerdings eine merkliche Divergenz der Kurvenäste A und B (F i g. 2) auf, so daß die Kippunkte K, nicht mehr zusammenfallen, was in einigen Anwendungsfällen der Erfindung teils belanglos, teils sogar erwünscht sein kann.If one nevertheless wishes to influence the switching hysteresis during operation of the circuit, the circuit type is shown in FIG. 4, in which the resistor 12 is designed as a potentiometer 28 and one end of the winding of the relay 26 is connected to its tap 29. With this type of circuit, however, there is a noticeable divergence of the curve branches A and B (FIG. 2), so that the tipping points K i no longer coincide, which in some applications of the invention can be partly irrelevant, partly even desirable.

Dem Transistor 20 muß, wie bereits erwähnt, eine veränderbare Steuerleistung zugeführt werden. Zu diesem Zweck ist das Steuerelement 23 angeordnet. Dieses setzt eine auf es einwirkende äußere Größe, z. B. eine mechanische Verstellbewegung, in eine Änderung einer dem Steuerelement 23 zugeführten oder in diesem erzeugten Steuerleistung um, welche die am Transistor 20 wirksame Eingangsgröße darstellt.As already mentioned, the transistor 20 must be supplied with a variable control power. The control element 23 is arranged for this purpose. This sets an external variable acting on it, e.g. B. a mechanical adjustment movement into a change in a control power supplied to the control element 23 or generated therein, which represents the input variable effective at the transistor 20.

Die verfügbare Steuerleistung des Steuerelementes 23 hängt von dessen Natur ab; sie kann bei einem mechanisch veränderbaren Widerstand sehr groß, bei einem Photowiderstand oder einem Widerstandsthermometer ziemlich klein sein. Meist ist die verfügbare Steuerleistung des Steuerelementes 23 wesentlich kleiner als diejenige der das Steuerelement 23 beeinflussenden Größe, wie z. B. Wärme, Licht usw. Beispielsweise ruft eine sehr große Änderung der Wärmeleistung einer Wärmequelle eine nur sehr kleine Widerstandsänderung eines die als Folge dieser Wärmeleistung auftretende Temperatur abtastenden Widerstandsthermometers hervor. Soll also die Leistungsabgabe einer Wärmequelle unter Zuhilfenahme einer Kippschaltung der beschriebenen Art als Zweipunktregler auf einem möglichst konstanten Wert gehalten werden, so muß die Kippschaltung wegen der kleinen verfügbaren Steuerleistung des allenfalls verwendeten Widerstandsthermometers eine möglichst kleine Schalthysterese aufweisen; für das die Wärmequelle unmittelbar oder mittelbar schaltende Relais 26 wäre in diesem Fall eine Wicklung mit kleinem Widerstand zu wählen.The available control power of the control element 23 depends on it Nature off; it can be very large with a mechanically variable resistance a photo resistor or a resistance thermometer can be quite small. Most of time the available control power of the control element 23 is significantly smaller than that of the control element 23 influencing size, such. B. warmth, light etc. For example, there is a very large change in the heat output of a heat source only a very small change in resistance of a die as a result of this heat output temperature-sensing resistance thermometer. So should the Power output of a heat source with the aid of a toggle switch of the described Type as a two-point controller can be kept as constant as possible, so must the flip-flop circuit because of the small available control power resistance thermometers used have the smallest possible switching hysteresis; for the relay 26 switching the heat source directly or indirectly would be in In this case, choose a winding with a low resistance.

Im Beispiel der F i g. 1 könnte das Steuerelement 23 ein temperaturabhängiges Bauelement, z. B. ein sogenannter NTC-Fühler sein. In der F i g. 5 ist als Steuerelement ein strahlungsempfindliches Bauelement 30 angegeben, das unter der Einwirkung einer Strahlung 31, z. B. von elektromagnetischer Wellenstrahlung, von Korpuskular oder von Schallstrahlung, eine Steuerwirkung ausübt. Das strahlungsempfindliche Bauelement 30 kann eine Widerstandszelle oder ein Element sein, das unter Strahlungseinfall eine EMK erzeugt, z. B. ein Photoelement.In the example of FIG. 1, the control element 23 could be a temperature-dependent one Component, e.g. B. be a so-called NTC sensor. In FIG. 5 is as Control a radiation-sensitive component 30 specified, which under the action of a Radiation 31, e.g. B. of electromagnetic wave radiation, of corpuscular or of sound radiation, exerts a control effect. The radiation-sensitive component 30 can be a resistance cell or an element that is exposed to radiation generates an emf, e.g. B. a photo element.

Schließlich zeigt die F i g. 6, daß das Steuerelement auch in den Transistor 20 selbst verlegt, also ein integraler Bestandteil des Transistors 20, z. B. dessen Basis sein kann, wobei die Temperaturabhängigkeit des Transistors oder bei Verwendung eines Phototransistors dessen Strahlungsempfindlichkeit ausgenutzt wird.Finally, FIG. 6 that the control element is also installed in the transistor 20 itself, that is to say an integral part of the transistor 20, e.g. B. its base, the temperature dependence of the transistor or, when using a phototransistor, its sensitivity to radiation is exploited.

Der Art des jeweils gewählten Steuerelementes entsprechend eignet sich die beschriebene Kippschaltung vorzüglich als hochempfindlicher elektronischer Zweipunktregler; z. B. als Thermostatschalter, als Strahlungspegelwächter, als lichtelektrischer Schalter zur Überwachung von Flammen in Feuerungsanlagen, als Lichtschranke u. dgl.Suitable for the type of control element selected the described flip-flop circuit is excellent as a highly sensitive electronic one Two-position controller; z. B. as a thermostat switch, as a radiation level monitor, as a photoelectric Switch for monitoring flames in firing systems, as a light barrier and the like.

Claims

Claims: 1. flip-flop with transistors, in which one first transistor connected to a relay and the one provided with a control element A variable control power is fed to the input of a second transistor, those to trigger a tax effect within the available tax performance of the Control element an upper threshold value when increasing and one when decreasing at least from this lower threshold value, which is removed by the amount of the switching hysteresis achieved, the flip-flop in each case that of two possible electrical Assumes states which corresponds to the threshold value just reached, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that to the emitter-collector path of the first transistor (13) a resistor (14, 26, 28) connected in parallel and dimensioned so that the Switching hysteresis is always smaller than the smallest available control power of the Control element (23, 30, 20).

2. toggle switch according to claim 1, characterized in that that the resistor (14) is an adjustable resistor.

3. Toggle switch according to claim 1, characterized in that the resistor is a winding of a relay (26).

4. Toggle circuit according to Claims 1 to 3, characterized in that the resistor from the series connection of the winding of the relay (26) and a portion of a Potentiometer (28).

5. toggle switch according to claim 1, characterized in that that the control element (23) is a temperature-dependent component.

6. Toggle switch according to claim 1, characterized in that the control element is a radiation-sensitive Component (30) is.

7. Toggle switch according to claims 1 and 6, characterized in that that the control is a photo element. B.

Toggle switch according to claims 1, 5 and 6, characterized in that the control element is an integral part of the second transistor (20).

9. Toggle switch according to claims 1, 5 and 8, characterized through their use as two-point controllers.

10. Toggle switch according to claims 1 and 6 to 8, characterized by their use as a flame detector.

11. Toggle switch according to claims 1 and 6 to 8, characterized by their use as photoelectric Counter.