DE1193989B - Kippschaltung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03k

Deutsche KL: 21 al-36/18

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

L 46810 VIII a/21 al
17. Januar 1964
3. Juni 1965

Die Erfindung betrifft eine Kippschaltung, bei der Transistoren als aktive Elemente dienen, die mit einer Parallelrückkopplung versehen sind und die eine Eingangsstufe mit einem Steuereingang und eine Ausgangsstufe mit einem Schaltungsausgang bilden.

Bei einer Kippschaltung der genannten Art lassen sich bekanntlich die zum Kippen mindestens erforderlichen, am Steuereingang wirksamen Steuerspannungen, die sogenannten Schwellenspannungen, und deren Differenz, die Schalthysterese, stark herabsetzen, wenn dem Steuereingang ein nichtlinearer Reihenwiderstand vorgeschaltet wird. Der nichtlineare Reihenwiderstand kann ein in Durchlaßrichtung gepolter Richtleiter sein, z. B. eine Gleichrichterdiode oder auch die Emitter-Basis-Strecke eines Transistors. Obwohl der nichtlineare Widerstand dabei nicht als aktives Schaltungselement arbeiten kann, bewirkt eine solche Anordnung infolge der statischen Spannungskompensation eine wesentliche Steigerung der Empfindlichkeit der Kippschaltung.

Mit Vorteil bestehen der nichtlineare Widerstand und der Transistor der Eingangsstufe aus Werkstoffen mit gleichen oder ähnlichen Temperaturkoeffizienten, weil sich dadurch eine fast vollständige Kompensation der Temperaturdrift erzielen läßt.

Für die Erreichung der angestrebten Wirkung ist es überdies von Bedeutung, daß die Eingangsstufe in keiner der beiden möglichen Schaltzustände der Kippschaltung vollständig- gesperrt wird, mit anderen Worten, daß der Transistor der Eingangsstufe stets einen gewissen Basisstrom bzw. Kollektorstrom führt.

Die am Steuereingang einer Kippschaltung der genannten Art anliegende Steuerspannung hat im Eingangskreis einen Steuerstrom zur Folge. In vielen Anwendungsfällen einer Kippschaltung mit besonders kleiner Schalthysterese stehen jedoch nur sehr geringe Steuerleistungen zur Verfügung, so daß die zusätzliche Anwendung eines Leistungs-Vorverstärkers und die damit verbundenen Komplikationen mitunter nicht zu umgehen waren.

Ausgehend von dem hier geschilderten Stande der Technik wurde nun gefunden, daß sich der erforderliche Steuerstrom für eine Transistor-Kippschaltung mit Parallelrückkopplung zwischen Ausgangs- und Eingangsstufe und einem dem Steuereingang der Eingangsstufe vorgeschalteten nichtlinearen Widerstand ganz wesentlich verringern läßt, wenn als nichtlinearer Widerstand eine zur Eingangsstufe komplementäre Transistoranordnung verwendet wird.

Die Ausbildung dieser Transistoranordnung als Verbundtransistor erlaubt die Aussteuerung der Kippschaltung

Anmelder:

Landis & Gyr A. G., Zug (Schweiz)

Vertreter:

Dr.-Ing. A. Schulze, Patentanwalt,

Berlin 31, Jenaer Str. 13/14

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Miran Milkovic",
Oberwil, Zug (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 20. Dezember 1963 (15 739)

Kippschaltung bereits mit Steuerströmen von einigen Mikroampere bei Steuerspannungen von einigen Millivolt.

as In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

In der Zeichnung, die eine Kippschaltung zeigt, bedeutet 1 eine aus zwei pnp-Transistoren bestehende Eingangsstufe mit einem Steuereingang 2.

Ein weiterer pnp-Transistor wirkt als Ausgangsstufe 3 auf einen Schaltungsausgang 4. Die beiden pnp-Transistoren der Eingangsstufe 1 sind zu einem sogenannten Verbundtransistor zusammengefaßt, dessen Emitter am positiven Pol und dessen Kollektor über einen Widerstand 5 am negativen Pol einer Gleichspannungsquelle 6 liegen.

In gleicher Weise sind der Emitter und — über einen Widerstand 7 — der Kollektor des pnp-Transistors der Ausgangsstufe 3 an die Gleich-Spannungsquelle 6 angeschlossen, während zwischen Basis und Emitter des zuletzt genannten Transistors eine Batterie 8 in Reihe mit einem Widerstand 9 liegt.

Die Parallelrückkopplung zwischen der Ausgangsstufe 3 und der Eingangsstufe 1 ist durch einen Widerstand 10 in einer Verbindungsleitung 11 vom Kollektor des Transistors der Ausgangsstufe 3 zum Steuereingang 2 und durch einen Widerstand 12 in der elektrischen Verbindung 13 zwischen dem KoI-lektor des Verbundtransistors der Eingangsstufe 1 und der Basis des Transistors der Ausgangsstufe 3 hergestellt.

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Ein Widerstand 14 in einer Leitung 15, die den Steuereingang 2 mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 6 verbindet, sorgt dafür, daß die Eingangsstufe 1 stets einen ausreichenden Basisstrom führt, so daß die Eingangsstufe 1 immer leitend bleibt.

Elektrisch in Reihe mit einem Klemmenpaar 16, 17, dem die Steuerspannung zugeführt wird, liegt am Steuereingang 2 als nichtlinearer Widerstand eine aus zwei npn-Transistoren in Verbundschaltung aufgebaute Transistoranordnung 18 derart, daß die Basis des npn-Verbundtransistors mit der Klemme 16 und sein Emitter mit dem Steuereingang 2 unmittelbar zusammenhängt, während der Kollektor dieses npn-Verbundtransistors über einen allenfalls entbehrlichen Widerstand 19 an den Pluspol der Batterie 8 geführt und die Klemme 17 mit dem Emitter der Eingangsstufe 1 elektrisch verbunden ist.

Wenn bei geschlossenem Steuerstromkreis die am Klemmenpaar 16,17 anliegende Steuerspannung den Wert Null aufweist, fließt über die Basis-Emitter-Strecke des Verbundtransistors 18 und der Eingangsstufe 1 ein wesentlich vom Wert des Widerstandes 14 abhängiger Strom in Durchlaßrichtung. Dabei entsteht über der Transistoranordnung 18 und der Eingangsstufe 1 ein Spannungsabfall, durch den die Emitter-Basis-Strecken in Durchlaßrichtung vorgespannt sind. Der pnp-Verbundtransistor der Eingangsstufe 1 befindet sich infolgedessen in voll leitendem Zustand und weist dabei ein nur geringes Emitter-Kollektor-Potential auf, während die Ausgangsstufe durch die Wirkung der Batterie 8 und des Widerstandes 9 gesperrt bleibt.

Sobald die Steuerspannungsquelle das Potential der Klemme 16 gegenüber der Klemme 17 positiv anhebt, steigt der Basis-Emitter-Strom des npn-Verbundtransistors an, wobei der Basisstrom der Eingangsstufe 1 ab- und deren Kollektorspannung zunimmt, die nun die Ausgangsstufe 3 über die Verbindung 13 in den leitenden Zustand steuert, bis die Schaltung schließlich in eine elektrische Lage kippt, bei der die Ausgangsstufe 3 voll und die Eingangsstufe 1 nur schwach leitend ist. Beim Rückgang der Steuerspannung um den Betrag der Spannungshysterese kippt die Schaltung wieder in ihre Ruhe- lage zurück.

In der beschriebenen Kippschaltung ist der Wert der zur Aussteuerung erforderlichen oberen Schwellenspannung gleich der Differenz der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoranordnung 18 und der Eingangsstufe 1. Wegen der Kennlinienkrümmung der Basis-Emitter-Diode der Transistoranordnung 18 wird auch die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwellenspannung, die Schalthysterese, sehr klein. Damit die Kippschaltung regenerativ wirken kann, muß natürlich der differentielle Widerstand der Basis-Emitter-Diode des npn-Verbundtransistors größer sein als der negative differentielle Widerstand der Kippschaltung.

Bei der dargestellten Schaltungsart tritt in der Transistoranordnung 18 keine Spannungsverstärkung auf, jedoch wird infolge des positiven Kollektoranschlusses in der Transistoranordnung 18 der von der Steuerspannungsquelle aufzubringende Steuerstrom um das Produkt der Stromverstärkungsfaktoren jedes der beiden aktiven Glieder des npn-Verbundtransistors herabgesetzt, so daß den Klemmen 16,17 nur extrem niedrige Steuerströme zugeführt werden müssen.

Durch Wahl eines Werkstoffes mit gleichem Temperaturkoeffizienten für die Transistoren der Eingangsstufe 1 und der Transistoranordnung 18 und deren Anordnung und Betrieb in der gleichen Temperaturebene wird eine fast vollständige Kompensation der Spannungsdrift bei Temperaturänderungen erzielt, d. h., die für die Steuerspannung geltenden Schwellenwerte der Kippschaltung werden unabhängig von der Temperatur.

In der beschriebenen Schaltung haben sich Flächentransistoren als besonders geeignet erwiesen, jedoch zeigen hier auch Feldeffekt-Transistoren, sogenannte Fieldistoren, ein günstiges Verhalten. An Stelle der Verbundtransistoren können einfache Transistoren treten, wenn nicht extreme Empfindlichkeiten erreicht werden müssen. Die Eingangsstufe 1 soll die gleiche Anzahl Transistoren aufweisen wie die Transistoranordnung 18. Selbstverständlich ist es ohne weiteres möglich, alle in der Zeichnung gezeigten Transistoren durch ihre Komplementärform zu ersetzen, wobei lediglich die Polung der Spannungsquellen vertauscht werden muß.

Die angegebene Kippschaltung kann als hochempfindlicher Zweipunktregler oder als Schwellenwertanzeiger dienen. Desgleichen lassen sich mit dieser Schaltung feinstufige Amplitudenvergleicher oder Impulsformer für Impulse mit sehr kleinem Energieinhalt aufbauen.

Auch bei hochempfindlichen lichtelektrischen Schalteinrichtungen findet die beschriebene Kippschaltung mit Vorteil Anwendung, wobei wenigstens einer der Transistoren der Transistoranordnung 18 oder der Eingangsstufe 1 als Phototransistor ausgebildet sein kann. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist bei Fehlerstromschutzschaltern gegeben.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Transistor-Kippschaltung mit Parallelrückkopplung zwischen Ausgangs- und Eingangsstufe und einem dem Steuereingang der Eingangsstufe vorgeschalteten nichtlinearen Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Widerstand eine zur Eingangsstufe (1) komplementäre Transistoranordnung (18) ist.

2. Kippschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoranordnung (18) ein Verbundtransistor ist.

3. Kippschaltung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoranordnung (18) aus mindestens einem Flächentransistor besteht.

4. Kippschaltung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoranordnung (18) aus mindestens einem Feldeffekt-Transistor besteht.

5. Kippschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Transistor der Transistoranordnung (18) ein Phototransistor ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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