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Kippschaltungsanordnung nach dem Schmitt-Trigger-Prinzip Die Erfindung
betrifft eine Anordnung mit einer Kippschaltung nach dem Schmitt-Trigger-Prinzip,
vorzugsweise einer transistorisierten Kippschaltung, deren Eingang eine Steuerspannung
zugeführt ist, insbesondere zur Signalisierung bei Unterschreitung eines Sollwerts
der Steuerspannung.
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In der. Elektrotechnik werden häufig Schaltungsanordnungen benötigt,
die bei Über- bzw. Unterschreiten eines Sollwerts einer Eingangsgröße ein Schaltkriterium
am Ausgang liefern. Derartige Anordnungen sind vor allem auch zur Pegelüberwachung
bei Trägerfrequenzsystemen erforderlich. Eine einfache Schaltungsanordnung mit der
die vorgenannten Forderungen erfüllt werden können, ist der Schmitt-Trigger. So
ist es beispielsweise bei Trägerfrequenzübertragungssystemen mit nichtunterdrücktem
Träger möglich, die nach der Gleichrichtung sowie der Hochfrequenz- und Niederfrequenzsiebung
erhaltene, der Trägerspannung proportionale Gleichspannung zur Pegelüberwachung
und Pegelsignalisierung zu verwenden. Die Signalisierung kann dabei so erfolgen,
daß bei Unterschreiten eines Spannungsgrenzwertes ein Schmitt-Trigger ein Relais
betätigt, daß dann eine Alarmierung auslöst. Steigt der Trägerpegel wieder an, dann
wird der Schmitt-Trigger zurückgeschaltet, und die Alarmierung erlischt.
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Der Schmitt-Trigger weist jedoch verschiedene Nachteile auf. So ist
beispielsweise der Ansprechwert, bei dem das Umkippen der Trägerschaltung eintritt,
von Temperatur- und Batteriespannungsschwankungen abhängig. Ferner wird wegen der
Niederohmigkeit des Steuereingangs eine hohe Leistung aus der den Schmitt-Trigger
steuernden Gleichrichteranordnung entnommen.
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Es sind Schmitt-Trigger-Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen die
durch Temperatureinflüsse bedingten Schwankungen des Ansprech- und Abfallschwellwertes
verringert werden. Eine bekannte Schaltungsanordnung ist dabei so aufgebaut, daß
die mit einer negativen Steuerspannung über einen Spannungsteiler beaufschlagte
Basis des ersten Transistors des Schmitt-Triggers über ein zweipoliges Widerstandsnetzwerk,
bestehend aus einem Thermistor und zwei Widerständen, mit einer mit einem Widerstand
und einer Siliziumdiode stabilisierten positiven Gleichspannung verbunden ist, die
aus einer unstabilisierten Spannung geliefert wird. Diese Anordnung bewirkt, daß
die Absolutwerte der Schwellwerte der negativen Steuerspannung vergrößert werden,
während der absolute Schwellwertabstand erhalten bleibt. Der auf die Steuerspannung
bezogene relative Schwellwertabstand verkleinert sich demgemäß mit zunehmender Größe
der Hilfsspannung. Nachteilig ist bei dieser Anordnung jedoch, daß lediglich Temperaturschwankungen,
die eine Verschiebung der Schwellwerte bedingen, verringert werden, während Einflüsse,
die durch Schwankungen der Versorgungsspannungsquelle entstehen, nicht ausgeschaltet
werden können. Außerdem besteht bei dieser Art Temperaturkompensation die Schwierigkeit
über einen großen Temperaturbereich den geforderten linearen Temperaturgang des
Widerstandes des Netzwerkes zu bekommen, weil der Widerstand des darin enthaltenen
Thermistors nach einer e-Funktion von der Temperatur abhängt. Mit einer solchen
Schaltungsanordnung lassen sich die temperaturbedingten Schwellwertsschwankungen
lediglich verringern, jedoch nicht gänzlich beseitigen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Kippschaltungsanordnung nach dem
Schmitt-Trigger-Prinzip bezüglich der vorgenannten Nachteile zu verbessern.
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Die Anordnung mit einer Kippschaltung nach dem Schmitt-Trigger-Prinzip
wird gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß der Kollektorwiderstand des jeweils
durchgesteuerten Transistors zusammen mit einer ihm vorgeschalteten ersten Zenerdiode
und der Kollektor-Emitter-Strecke dieses Transistors einen Brückenzweig bildet,
daß der gegenüberliegende Brückenzweig aus der Reihenschaltung einer zweiten Zenerdiode,
deren Zenerspannung um die Kollektor-Emitter-Spannung des jeweils durchgesteuerten
Transistors größer ist als die Zenerspannung der ersten Zenerdiode, und eines ohmschen
Widerstandes
besteht, der so bemessen ist, daß der an ihm auftretende
Spannungsabfall gleich ist dem Spannungsabfall des für beide Transistoren gemeinsamen
Emitterwiderstandes, der in einem weiteren Brückenzweig liegt, daß der diesem Brückenzweig
gegenüberliegende Brückenzweig aus einem ohmschen Widerstand besteht und daß in
der vom Emitter des ersten Transistors ausgehenden, über die Relais führenden Brückendiagonale
die zu überwachende Steuerspannung und in der anderen Brückendiagonale die Versorgungsspannungsquelle
liegt. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß der Ansprechwert des Schmitt-Triggers
unabhängig von Temperatur- und Versorgungsspannungsschwankungen stets einen konstanten
Wert hat. Eine derartige Schaltungsanordnung läßt sich daher günstig als Alarmierungsschaltung
bei Trägerfrequenzsystemen verwenden. Man kann so beispielsweise den Pilotpegel
eines Systems mit dieser Anordnung vorteilhaft überwachen. Auch die Steuerung von
Schrittschaltwerken oder Zählwerken kann durch eine derart aufgebaute Kippschaltungsanordnung
vorgenommen werden.
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Für den Fall, daß die Zenerspannung klein gegenüber der Versorgungsspannung
ist, kann die in Reihe zum Kollektorwiderstand liegende Zenerdiode durch einen Kurzschlußbügel
ersetzt werden.
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In Reihe zur zweiten Zenerdiode läßt sich zusätzlich eine Widerstandskombination
einschalten, die aus einer Reihenschaltung aus Potentiometer und einem Widerstand
mit einem dem Temperaturkoeffizienten der Zenerdiode entgegengesetzt sich ändernden
Temperaturkoeffizienten und einem dieser Reihenschaltung parallelgeschalteten ohmschen
Widerstand besteht. Mit einer derartigen Anordnung können sowohl die Toleranzen
der Zenerspannung aufgefangen als auch die temperaturbedingten Zenerspannungsschwankungen
kompensiert werden, so daß der Ansprechwert auch weitgehend gegen Temperaturschwankungen
unempfindlich ist. Eine einfachere Temperaturkompensation läßt sich erreichen, wenn
bei Vorhandensein beider Zenerdioden die Temperaturkoeffizienten dieser beiden Zenerdioden
so gewählt werden, daß der Temperaturgang der Brückenanordnung aufgehoben wird.
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Bildet man die mit dem ersten Transistor des Schmitt-Triggers nicht
unmittelbar verbundenen Brückenzweige niederohmig aus, so lassen sie sich zugleich
als Brückenzweige für mehrere Trigger verwenden.
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Das zur Alarmierung benötigte Relais läßt sich an Stelle des Kollektorwiderstandes
des zweiten Transistors des Schmitt-Triggers in den Kollektorkreis dieses Transistors
einschalten.
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Um die Leistungsaufnahme des Schmitt-Triggers zu verringern, können
in demjenigen Diagonalzweig, in dem die zu überwachende Steuerspannung liegt, Mittel
zur Begrenzung des Basistroms des ersten Transistors vorgesehen sein.
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An Hand der schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele nach den
F i g. 1 und 4 und den Schaltungen nach F i g. 2 und 3 wird die Erfindung näher
erläutert.
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Innerhalb der strichpunktierten Linie der F i g. 1 ist eine bekannte
Schmitt-Trigger-Schaltungsanordnung dargestellt. Die aktiven Elemente sind Transistoren
des npn-Typs. Der Transistor 1 ist über seinen Kollektorwiderstand 3 mit
dem positiven Pol der Versorgungsspannungsquelle und mit seinem Emitterwiderstand
4 mit dem negativen Pol derselben Versorgungsspannungsquelle verbunden. Vom Kollektor
dieses ersten Transistors führt zum negativen Pol der Versorgungsspannungsquelle
ein aus den ohmschen Widerständen 5 und 6 bestehender Spannungsteiler. Die Basis
des zweiten Transistors 2 liegt am Verbindungspunkt der beiden ohmschen Widerstände
5 und 6. Die Emitter der beiden Transistoren sind unmittelbar miteinander verbunden,
so daß der Emitterwiderstand des ersten Transistors zugleich auch der Emitterwiderstand
des zweiten Transistors ist. In dem Kollektorkreis des Transistors 2 läßt sich wahlweise
der ohmsche Widerstand 7 oder das zur Alamierung verwendete Relais 8 einschalten.
Dem Kellektorwiderstand 3 bzw. 7 ist die erste Zenerdiode 9 vorgeschaltet, so daß
diese Zenerdiode 9 zusammen mit dem Kollektorwiderstand des jeweils durchgeschalteten
Transistors und der Emitter-Kollektor-Strecke dieses Transistors einen Zweig einer
Brückenanordnung bildet. Vom Verbindungspunkt dieser Zenerdiode mit dem positiven
Pol der Versorgungsspannungsquelle führt ein ohmscher Widerstand 10, der
einen weiteren Zweig dieser Brückenanordnung bildet, sowie die zweite Zenerdiode
11 und der ihr nachgeschaltete ohmsche Widerstand zum negativen Pol der Versorgungsspannungsquelle.
Die Reihenschaltung aus der zweiten Zenerdiode 11 und dem ohmschen Widerstand 12
bildet wiederum einen Zweig der Brückenanordnung, und der letzte Zweig dieser Brücke
ist durch den Emitterwiderstand 4 gegeben. Zwischen Basis des ersten Transistors
1 und dem Verbindungspunkt der Zenerdiode 11 mit dem ohmschen Widerstand
10 wird die zu überwachende Gleichspannung über die Gleichrichter- und Begrenzeranordnung
13 eingespeist. Die Versorgungsspannung liegt an der anderen Brückendiagonale.
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Bei Sollpegel der zu überwachenden Gleichspannung liegt an den Klemmen
der Gleichrichteranordnung 13, dargestellt durch die Spannungsquelle U, den
Innenwiderstand Ri und die Diode D, die Sollgleichspannung. Die Basis des Transistors
1 ist gegen den Emitter negativ ausgesteuert, d. h., Transistor 1 ist gesperrt und
Transistor 2 ist leitend. Für diesen Schaltzustand kann als Ersatzschaltung die
Brückenanordnung nach F i g. 2 angegeben werden. Diese Brücke besteht in ihrem einen
Zweig aus einer Reihenschaltung von Zenerdiode 9, ohrnschen Widerstand 5 und einer
Batteriespannung UCE 2 mit einer Ausgangsspannung die der Kollektor-Emitter-Spannung
des durchgesteuerten Transistors 2 entspricht. Der sich daran anschließende Brückenzweig
besteht aus dem ohmschen Widerstand 4. Der ihm gegenüberliegende Brückenzweig
enthält den ohmschen Widerstand 10, und an diesen Brückenzweig schließt sich
dann der aus Zenerdiode 11 und ohmschen Widerstand 12 bestehende Brückenzweig
an. Die als Gleichrichter dargestellte Spannungsquelle 13 ist zusammen mit
einer Spannungsquelle UBE 1, die eine Spannung von der Größe der Basis-Emitter-Spannung
des Transistors 1 abgibt, in die eine Brückendiagonale eingeschaltet, und an der
anderen Brückendiagonale liegt die Versorgungsgleichspannung. Da die Transistoren
bis in die Sättigung gesteuert werden, liegt an dem leitenden Transistor 2 nur die
geringe Kollektor-Emitter-Restspannung UcE2.
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Sinkt die zu überwachende Gleichspannung unter einen unzulässigen
Wert ab, dann wird der Transistor
1 so weit ausgesteuert, daß er
leitend wird, und der Transistor 2 ist gesperrt. Für diesen Fall läßt sich als Ersatzschaltung
die Brückenanordnung nach F i g. 3 angeben. Sie unterscheidet sich von der Brückenanordnung
nach F i g. 2 nur dadurch, daß nunmehr an Stelle des ohmschen Widerstandes 5 in
dem einen Brückenzweig der ohmsche Widerstand 3 tritt und daß die Ersatzbatterie
die Kollektor-Emitter-Restspannung des ersten Transistors führt. Sind die Spannungsabfälle
am ohmschen Widerstand 12 und am ohmschen Widerstand 4 gleich hoch und ist die Zenerspannung
der Zenerdiode 11 gleich der Zenerspannung 9 zuzüglich der Kollektor-Emitter-Restspannung
UCE ." bzw. Uce 1, dann ändern sich die Spannungen an den ohmschen Widerständen
12 und 4 bei auftretenden Batteriespannungsschwankungen um gleiche Beträge, und
die Potentialdifferenz an den beiden Brückeneckpunkten I und II bleibt konstant.
Ist die Differenz zwischen Zenerspannung der Zenerdiode 11 und der Summenspannung
aus der Zenerspannung der Zenerdiode 9 und der Kollektor-Emitter-Restspannung UCE
2 bzw. UCE 1 ge-
nügend klein gegen die Batteriespannung, dann bleibt
die Potentialdifferenz zwischen den Brückeneckpunkten I und 1I bei Versorgungsspannungsschwankungen
genügend konstant. Zur Begrenzung des Basisstroms des Transistors 1 lassen sich
bekannte Begrenzeranordnungen verwenden. Die Kompensation der Zenerspannungstoleranzen
wird durch Abgleichen der Brücke vorgenommen.
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Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 zeigt einen über eine Brücke
angesteuerten Schmitt-Trigger. Die Brückenanordnung unterscheidet sich von der Brükkenanordnung
nach F i g. 1 nur dadurch, daß die Zenerdiode 9 durch einen Kurzschlußbügel ersetzt
ist und daß in Reihe zur Zenerdiode 11 zusätzlich eine Widerstandskombination, bestehend
aus dem Potentiometer 14 und dem dazu in Reihe geschalteten Thernewid 15 und einem
parallel zu dieser Reihenschaltung liegenden ohmschen Widerstand 16, liegt. Im Kollektorkreis
des zweiten Transistors ist zum Zwecke der Signalisierung die Wicklung eines Relais
geschaltet. Mit dieser Schaltungsanordnung läßt sich für den Fall, daß die Zenerdiode
11 einen postiven Temperaturkoeffizienten aufweist, zugleich die Exemplarstreuungen
des Temperaturgangs der Zenerdiode als auch die Zenerspannungsexemplarstreuungen
korregieren. Bei negativem Temperaturkoeffizienten der Zenerdiode muß an Stelle
des Thernewiden 15 ein Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten verwendet
werden. Die Zenerdiode 9 kann in den Fällen, in denen die Versorgungsspannungen
wesentlich größer als die Zenerspannung der Dioden ist, weggelassen werden. Wenn
nur geringe Spannungsschwankungen der Versorgungsspannung auftreten, läßt sich diese
Anordnung vorteilhaft verwenden, da dann dieselbe Konstanz des Ansprechwertes wie
bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 erreicht wird, unter gleichzeitiger Verringerung
der zum Aufbau der Schaltungsanordnung erforderlichen Bauteile. Die Erfindung läßt
sich auch in analoger Weise bei Schmitt-Triggern mit Elektronenröhren anwenden.