DE1197924B - Bistabile elektrische Schaltung, insbesondere Zaehlschaltung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al -36/18

Nummer; 1197 924

Aktenzeichen: G 25692 VIII a/21 al

Anmeldetag: 12. November 1958

Auslegetag: 5. August 1965

Die Erfindung betrifft eine bistabile elektrische Schaltung, insbesondere Zählschaltung, mit einem Paar elektronischer Verstärkerelemente, von denen jedes einen Eingangs- und einen Ausgangskreis aufweist, wobei der Ausgangskreis jedes Elements durch Gleichstromkopplung mit dem Eingangskreis verbunden ist.

Bistabile Zählerschaltungen, wie beispielsweise Multivibrator- oder »Flip-Flop«-Schaltungen, finden bei Elektronenrechnern oder anderen Einrichtungen weitverbreitet Anwendung. Diese Schaltungen schließen die Verwendung von Schaltvorrichtungen, wie beispielsweise Elektronenröhren, Transistoren u. dgl. ein, die paarweise so verbunden sind, daß, wenn eine Röhre oder sonstige Schaltvorrichtung leitet, sie automatisch die andere Röhre des Röhrenpaares sperrt, und umgekehrt. Der Betrieb dieser Schaltungen gestaltet sich jedoch bei sehr hohen Zähl- oder Schaltfrequenzen von beispielsweise 10 MHz oder mehr ziemlich schwierig.

Dies hat seine Ursache darin, daß, wenn eine bistabile Zählerschaltung ausgelöst wird, die leitende Schaltvorrichtung auf den leitenden oder entgegengesetzten Zustand umschaltet, während gleichzeitig die zweite Schaltung vom nichtleitenden auf den leitenden Zustand übergeht. Die zweite Schaltvorrichtung hält dann die erste Schaltvorrichtung in einem Zustand, der dem vor dem Auslösesignäl bestehenden Zustand entgegengesetzt ist. Diese Arbeitsweise des Vorrichtungspaares muß so schnell vor sich gehen, daß die Zustandänderungen vollständig oder fast vollständig vollzogen sind, bevor das nächste Auslösesignal auftritt. Beispielsweise müssen in einer Zeit von weniger als VioMikrosekunde die gesamte Schaltfolge stattfinden und die Schaltvorrichtungen das Gleichgewicht erreicht haben, wenn das Auslösesignal mit einer Frequenz von 10 MHz auftritt. Als weitere Bedingung muß bei plötzlicher Beendigung der Auslösesignale das den bistabilen Zähler bildende Schaltvorrichtungspaar für die darauffolgende Zeit in dem durch das letzte Auslösesignal hervorgerufenen Zustand bleiben.

Es ist bekannt, daß die Geschwindigkeit, mit der die elektronischen Schaltvorrichtungen ihren Zustand ändern können, abhängig ist von dem Gegenwirkleitwert der Vorrichtung, ihren Kopplungsmitteln und von der Größe der Nebenschlußkapazität, die aufgeladen werden muß, bevor der jeweilige offene oder gesperrte Zustand als umgekehrt angesehen werden kann. Eine erhöhte Geschwindigkeit der Zustandsveränderungen kann erzielt werden durch:

Bistabile elektrische Schaltung, insbesondere
Zählschaltung

Anmelder:

General Radio Company, Cambridge, Mass.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Müller-Börner

und Dipl.-Ing. H.-H. Wey, Patentanwälte,

Berlin 33, Podbielskiallee 68

Als Erfinder benannt:

Richard Wagner Frank, Concord, Mass.

(V. St. A.)

1. die Verwendung von Schaltvorrichtungen mit hohem Gegenwirkleitwert,

2. durch Verwendung von Kopplungskreisen, die zu einem minimalen Verlust (Spannungsverlust) zwischen den beiden Schaltvorrichtungen führen und

3. durch Verringerung der Nebenschlußkapazitäten auf ein Minimum.

Die Erfindung betrifft insbesondere die vorerwähnte Technik zu 2., die zeigt, daß der (Spannungs-)VerIust in der Kopplungsvorrichtung in wirtschaftlicher und zuverlässiger Weise bis auf fast Null verringert werden kann.

Normalerweise ist in einem bistabilen Multivibrator die Ausgangsleitung oder -elektrode der beiden Schaltvorrichtungen mit der Eingangsleitung oder -elektrode der ihr zugeordneten Vorrichtung über einen die genaue Speisung mit Gleichstromspannung für die Eingangselektrode bestimmenden Widerstandskreis verbunden. Der zur Einstellung dieser Betriebspotentiale erforderliche Widerstandskreis erzeugt einen Spannungsverlust im Schaltsignal und verringert die Frequenz. Andere bisher bekannte Techniken zum Einstellen der richtigen Betriebsspannungen oder -ströme, die so gebaut sind, daß sie eine Verringerung der Frequenz verhindern, sind umständlich und unwirksam. Zu diesen Techniken gehören Kopplungen mit Batterien, mit Gasentladungsvorrichtungen, wie Spannungsregler-Röhren, mit Halbleitervorrichtungen, wie im

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Bereich der lawinenartigen Entladung betriebenen Silicium-Dioden usw. Das einfache Widerstandskopplungssystem, das in Wirklichkeit ein Spannungsteiler ist, kann theoretisch zur Erzeugung eines beliebig kleinen Spannungsverlustes verwendet werden, wenn eine ausreichend große Stromzufuhr zur Verfügung steht. In der Praxis jedoch macht die Notwendigkeit von Bauteilen mit enger Toleranz und die kritische Stromzufuhrregelung diesen. Weg unzweckmäßig. Alle vorerwähnten, bisher bekannten Systeme verwenden jedoch entweder große, umständliche und kostspielige Bauteile oder verbrauchen sonst eine beachtliche Strommenge und machen die Verwendung von Bauteilen mit enger Toleranz und genau geregelter Stromzufuhr erforderlich.

Demzufolge ist es Aufgabe der Erfindung, einen neuen und verbesserten bistabilen Zähler anzugeben, der nicht den vorstehend beschriebenen Nachteilen unterliegt und trotzdem einen Betrieb bei sehr hohen Frequenzen zuläßt.

Es ist bekannt, übliche Flip-Flop-Schaltungen mit Klemmdioden zu versehen, die als spannungsempfindliche Bauelemente dienen, ohne jedoch in den Eingangskreisen der Flip-Flop-Röhren eine niedrige Impedanz für Gleichstromdurchgang und eine hohe Impedanz für Wechselstromdurchgang zu ermöglichen und dadurch die Auflösung der Flip-Flop-Schaltung zu verbessern.

Die Verwendung von Trennröhren zum Entkoppeln von Flip-Flop-Stufen ist ebenfalls bekannt. Auch mit Hilfe der bekannten Trennröhren lassen sich Steigerungen der Auflösung von Flip-Flop-Schaltungen in dem hier interessierenden Ausmaß nicht erreichen.

Die gleiche Feststellung gilt für bekannte, aus einem Flip-Flop-Kreis mit nachgeschalteter Wechselrichterstufe und darauffolgender Kathodenfolgestufe bestehende Schaltungen.

Auch bekannte bistabile Transistor-Kippschaltungen mit im Ausgangskollektorkreis angeordneten Durchschlagsdioden, die unterschiedliche, zum Teil sehr geringe, zum Teil hohe Widerstände bei unterschiedlich gerichteten und bemessenen Spannungen haben, können die erstrebten hohen Schaltgeschwindigkeiten nicht ermöglichen.

Man hat ferner Nicht-Konstant-Stromröhren mit unmittelbar geerdeten Kathoden zum Einführen des Auslösesignals in bistabile Kippschaltungen verwendet und ähnliche Auslöseröhren in den Gitterkreisen solcher Schaltungen angeordnet. Auch auf diesem Wege ist die Erzielung der durch die Erfindung erstrebten besonders hohen, mit einfachen Mitteln verwirklichbaren Zählgeschwindigkeit für bistabile Kippschaltungen nicht zu erreichen. Dies gilt auch für andere bekannte, mit VerstärkeFelementen ausgerüstete Kippschaltungen, die jedoch sämtlich in den Eingangskreisen der Flip-Flop-Röhren nicht gleichzeitig hohe Impedanz für Wechselstrom- und niedrige Impedanz für Gleichstromdurchgang aufweisen.

Die bistabile elektrische Schaltung nach der Erfindung unterscheidet sich durch die letzterwähnte Eigenschaft von den vorerwähnten bistabilen Schaltungen und ermöglicht dadurch die Anwendung besonders hoher Sehalt- und Zählgeschwindigkeiten.

Dies wird erfindungsgemäß bei einer bistabilen Schaltung, insbesondere Zählschaltung, mit einem Paar elektronischer Verstärkerelemente, von denen jedes einen Eingangs- und einen Ausgangskreis aufweist, wobei der Ausgangskreis jedes Elements durch Gleichstromkopplung mit dem Eingangskreis verbanden ist, durch die Paralleleinschaltung je eines mit niedriger. Gleichspannungsimpedanz, aber hoher elektronischen Konstant - Strom - Verstärkerelements mit niedriger Gleichspannungsimpedanz, aber hoher Impedanz für veränderliche Spannungen in die Eingangskreise der Flip-Flop-Schaltung erreicht, wobei diese Konstant-Strom-Verstärkerelemente beispielsweise elektronische Verstärker mit deren Kathoden nachgeschalteten Impedanzen sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung an Hand der beigefügten, das Schaltschema eines Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellenden Zeichnung näher erläutert.

Zur Veransehauliehung ist die bistabile Zählerschaltung in Form eines Elektronenröhrenverstärkers dargestellt, der ein Paar Elektronenröhren 1 und 3 enthält, die gewünschtenfalls den Aufbau einer in einem einzigen Kolben angeordneten Doppeltriode oder sonstigen Elektronenröhre haben können. In der Darstellung ist jede der Röhren 1 und 3 mit einer Anodenelektrode 5 bzw. 7, einer Steuergitterelektrode 9 bzw. 11 und einer Kathode 13 bzw. 15 ausgestattet. Selbstverständlich können auch andere Arten von bekannten Multivibrator-, »Flip-Flop«- oder Relaxationsoszillator-Schaltungen sowie auch andere Vorrichtungen als die vorerwähnten Elektronenröhren verwendet werden. Da die Arbeitsweise der bistabilen Zählerschaltung bekannt ist, wird sie nachstehend auch nicht eingehender beschrieben außer der Feststellung, daß die Anode 5 der Röhre 1 über einen in Reihe geschalteten Gleichstromwiderstand 17 mit der Steuergitterelektrode 11 im Eingangskreis der Röhre 3 verbunden ist. Der Ausgang der Röhre 3 ist wiederum in gleicher Weise durch eine Verbindung seiner Anode 7 über einen gleichen in Reihe geschatteten, Widerstand 19 mit der Steuergitterelektrode 9 im Eingangskreis der Röhre 1 gekoppelt. Die Kathoden 13 und 15 der Röhren 1 bzw. 3 sind in der Zeichnung vorzugsweise über einen gemeinsamen Widerstand 23 bei 21 geerdet. Der hier verwendete Ausdruck »Erde« soll nicht nur das eigentliche Erden, sondern auch die Masse oder ein sonstiges Bezugspotential bezeichnen. Die nachstehend beschriebenen Kondensatoren 25 und 27 sind jeweils mit den Gleichstrom-Kopplungswiderständen 17 bzw* 19 parallel- oder nebengesehaltet. Jede der Anodenelektroden 5 und 7 ist in» der Darstellung über vorzugsweise gleiche Widerstände 29 bzw. 31 sowie über nachstehend beschriebene Induktivitäten 33 bzw, 35 mit dem Pluspol B+ der Quelle mit Anodenpotential verbunden, deren Minuspol B — mit dem vorerwähnten Erdanschluß 21 verbunden sein kann. Der bistabile Zähler 1, 3 kann mit Hilfe von beispielsweise über einen mit den oberen Anschlüssen der Induktivitäten 33 und 35 verbundenen Kopplungskondensator C angelegten Auslöseimpulsen P betrieben werden.

Die vorstehend beschriebene Schaltung ist zum Betrieb bei sehr hohen Frequenzen geeignet, indem 6g man im Nebenschluß zu den Eingangskreisen jedes Verstärkers 1 und 3 eine Gleichstromimpedanz niedrigen Wertes zu Hilfe nimmt, die aber trotzdem im System auftretenden Spannungsschwankungen eine

verhältnismäßig hohe Züwachsspannungsinapedanz entgegenstellt- Bei der vorzugsweisen Ausführungsform hat diese Impedanz die Form von zwei im wesentlichen mit gleichbleibendem Strom betriebenen Elektronenröhren 2 und 4_r die in der Zeichnung mit Anoden 6 und 8, Steuergitterelektroden 10 und 12 und Kathoden 14 und 16 ausgestattet sind. Die Steuerelektroden 10 und 12 sind mit dem Erdanschluß 18 bzw. 20 verbunden, der wiederum mit dem vorerwähnten Erdanschluß 21 verbunden ist. Die Kathoden 14 und 16 sind über die Kathodenwiderstände 22 bzw. 24 mit einer mit — Ve bezeichneten Quelle mit negativer Vorspannung verbunden, deren positiver Anschluß der vorerwähnte Erdanschluß 21 sein kann. Jede der Röhren 2 und 4 ist parallel geschaltet mit den Eingangskreisen der jeweiligen Röhren 1 bzw. 3. In der Darstellung ist die Anode 6 also mit einem Punkt des Eingangskreises der Rohre 1 verbunden, der zwischen dem Kopplungswiderstand 19 und dem der Steuergitterelektrode9 liegt, und die Anode 8 der Röhre 4 ist in gleicher Weise über die Leitung 26 mit der Steuergitterelektrode 11 der Röhre 3 verbunden.

Beim Betrieb nehmen die Röhren 1 und 3 vorzugsweise keinen Gitterstrom auf. Die bei im wesentliehen gleichbleibendem Strom betriebenen Röhren 2 und 4 ermöglichen nach dem Sperren der jeweiligen Röhren sehr kurze Erholungszeiten für die Eingangskreise der Röhren 1 und 3, wodurch sie einen sehr hochfrequenten Betrieb des bistabilen Zählers nach der Erfindung gestatten. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Vorschlägen mit hohem Gitterwiderstand, die mit sehr hohen Spannungswerten arbeiten und einen großen Stromverbrauch haben, führt die erfindungsgemäße Schaltung außerdem zur einfachen Ausnutzung einer negativen Vorspannung — Ve, die von der gleichen Größenordnung sein kann, wie das Anodenpotential B+. Deshalb wird mit Hilfe der Erfindung durch die Benutzung von den mit gleichbleibendem Strom betriebenen Rohren 2 und 4, die normalerweise zur Schaffung einer niedrigen Gleichstromimpedanz jedoch einer hohen Impedanz für Zuwachs (Impuls)-spannungsveränderungen arbeiten, gegenüber den bisher bekannten Vorschlägen eine große Stromersparnis erzielt.

Um nicht nur im wesentlichen das Koppeln von Gleichstromanteilen der beim Schalten des bistabilen Zählers 1, 3 auftretenden Signale sondern auch im wesentlichen genauso das Koppeln von Wechselstromanteilen zu ermöglichen, sind die Kondensatoren 25 und 27 vorzugsweise einzeln recht groß, so daß bei den hohen Schaltfrequenzen die Eingangskapazität für die Stufen 1 und 3 eine vernachlässigbare Verringerung der Kopplungswirkung verursacht.

Da aber die Kondensatoren 25 und 27 groß gehalten sind, können sie die von ihnen in den üblichen bistabilen Schaltungen dieser Art auszuübende Funktion, nämlich die Funktion von Energiespeichervorrichtungen, die durch den Aufladeunterschied anzeigen, welche der Röhren 1 und 3 zuletzt leitend war, und so also ein ungenaues Arbeiten der Schaltung verhindern, nicht langer ausüben. Die Speicherfunktion der Kondensatoren 25 und 27 wird mit Hilfe der vorerwähnten, mit den Anoden 5 bzw. 7 der Röhren 1 und 3 verbundenen Induktivitäten 33 und 35 erzielt. Da die Induktivitäten 33 und 35 den Anodenstrom der Röhren 1 und 3 führen, zeigt die an diesen entwickelte Spannung über die relative Betriebskennlinie derselben an, welche der Röhren 1 und 3 zuletzt im wesentlichen vollen Anodenstrom aufnahm, und bewirkt so ein sauberes Arbeiten der bistabilen Zählerschaltung.

Für einen Betrieb bei Frequenzen über 10 MHz haben sich beispielsweise die nachfolgenden Schaltungselemente als in der Praxis zufriedenstellend arbeitend herausgestellt. Beispielsweise war es mit Röhren 1 und 3 der Type 5687 bei einem Betrieb mit einer Anodenspannung B+ von 150 Volt und mit Induktivitäten 33, 35 von etwa 4,7 μΉ., Anodenspannungswiderständen 29, 31 von etwa 500 Ω, Gleichstromkopplungsimpedanzen If und 19 von etwa 200 kQ und Kondensatoren IS und 27 mit einem hohen Wert von etwa 0,01 μ& möglich, eine negative Vorspannung — Ve für bei im wesentlichen gleichbleibendem Strom arbeitenden Röhren 2 und 4 in Form einer Doppeltriode der Type 5751 oder 12 AX 7 von nur etwa —150 V zu verwenden. Die gemeinsamen Kathodenwiderstände 23 können einen Wert von etwa 2,5 kQ und die Kathodenwiderstände 22 und 24 einen Wert von etwa 300 kQ haben. Unter diesen Umständen beträgt der im wesentlichen konstant durch die mit den Eingangskreisen der jeweiligen Stufen 1 und 3 verbundenen Röhren 2 und 4 fließende Strom 0,5 Milliampere, und es werden die vorstehend beschriebenen neuen Ergebnisse erzielt.

Wie vorstehend angegeben, kann der Eingangskreis nach der Erfindung, obwohl er für den Betrieb eines bistabilen Zählers besonders zweckmäßig ist, auch bei anderen Arten von Gleichstromverstärkerstufen, bei denen die vorstehend erläuterten vorteilhaften Eigenschaften erwünscht sind, Verwendung finden.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebene und dargestellte beispielsweise Ausführungsform beschränkt. Man kann daran zahlreiche, dem Fachmann entsprechend der beabsichtigten Anwendung naheliegende Abänderungen vornehmen, ohne daß man dadurch den Bereich der Erfindung verläßt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Bistabile elektrische Schaltung, insbesondere Zählschaltung, mit einem Paar elektronischer Verstärkerelemente, von denen jedes einen Eingangs- und einen Ausgangskreis aufweist, wobei der Ausgangskreis jedes Elements durch Gleichstromkopplung mit dem Eingangskreis verbunden ist, gekennzeichnet durch die Paralleleinschaltung je eines elektronischen Konstant-Strom-Verstärkerelements (2, 4) mit niedriger Gleichspannungsimpedanz, aber hoher Impedanz für veränderliche Spannungen in die Eingangskreise (9, 11) der Flip-Flop-Schaltung, wobei diese Konstant-Strom-Verstärkerelemente beispielsweise elektronische Verstärker mit deren Kathoden (14, 16) nachgeschalteten Impedanzen (22, 24) sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstant-Strom-Verstärkerelemente aus Elektronenröhren (2, 4) mit je einer Anode (6, 8), einer Steuerelektrode (10,12) und einer mit einer ein niedrigeres Potential als das Potential der Steuerelektrode aufweisenden Spannungsquelle verbundenen Kathode (14, 16) bestehen, wobei die Anoden (6, 8) mit den

Steuerelektroden (9, 11) der vorzugsweise ebenfalls aus Elektronenröhren (1, 3) bestehenden elektronischen Verstärkerelemente der Flip-Flop-Schaltung verbunden sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Feststellung, welche Röhre des Elektronenröhrenpaares (1, 3) zuletzt leitend war, jede Anode (5, 7) des ersten Elektronenröhrenpaares (1, 3) über eine Induktivität (33, 35) mit einer Anodenpotential aufweisenden Spannungsquelle (B+) verbunden ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Gleichstrom-

kopplungsimpedanz (17, 19) eine Wechselstromimpedanz (25, 27) parallel geschaltet ist, die im Vergleich zur Impedanz der Röhren (1, 3) eim ausrechend kleinen Wert hat.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. --1-^ ^C'Z£ deutsche Auslegeschriften Nr. 1035 206,1042 641; USA.-Patentschriften Nr. 2 534 233, 2 557186; »Nachrichtentechnische-Zeitschrift«, 1955, S. 8 bis 16;

»Electronics«, 1.11. 1957, S. 186 bis 189; »Electronics«, März 1948, S. 123.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen