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Bistabile, monostabile oder astabile Kippstufe Die Erfindung bezieht-sich
auf eine bistabile, monostabile oder astabile Kippstufe mit zwei Transistoren, deren
Steuer- und Ausgangselektroden kreuzweise miteinander über passive Schaltelemente
verbunden sind, bei der die Ausgangselektroden der Transistoren jeweils über einen
im gesperrten Zustand des betreffenden Transistors gesperrten Richtleiter mit dem
betreffenden Ausgangslastkreis verbunden ist.
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Derartige Kippstufen werden meist aus zwei gleichen Transistor-Schaltverstärkerstufen
in Emitterschaltung aufgebaut. Die Kollektorelektroden sind dann je über einen Arbeitswiderstand
mit einer Betriebsgleichspannung und über passive Schaltelemente mit der Basis des
gegenüberliegenden Transistors verbunden. Die Kollektorelektroden dienen aber zugleich
als Kippstufenausgang und sind mit nachfolgenden Kippstufen, logischen Schaltungen
u. ä. verknüpft.
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Der Kippvorgang wird bei einer bistabilen oder monostabilen Kippstufe
in bekannter Weise eingeleitet, indem ein die Sperrung eines gerade leitenden Transistors
bewirkender Impuls oder ein die Öffnung eines gerade gesperrten Transistors bewirkender
Impuls der Basiselektrode des betreffenden Transistors zugeführt wird. Dieser Transistor
ändert somit unmittelbar seinen Leitfähigkeitszustand und wirkt dann derart auf
die Basis des anderen Transistors ein, daß dieser in den komplementären Zustand
übergeht. Bei bistabilen Kippstufen ist hiermit wieder ein stabiler Zustand erreicht,
während die monostabile Kippstufe nach einer durch die koppelnden Schaltelemente
bewirkten Verzögerungszeit in den ursprünglichen Zustand zurückfällt.
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In vielen praktischen Fällen muß eine solche Kippstufe rückwirkungsfrei
gemacht werden, d. h., ihr Kippzustand muß unempfindlich gegen Störimpulse auf den
Ausgangsleitungen sein. Die bisher erläuterten Kippstufen besitzen diese Eigenschaft
nicht, da solche Störimpulse über eine Kollektorelektrode und die koppelnden Schaltelemente
an die Basis des gegenüberliegenden Transistors gelangen und dort bei entsprechender
Polarität und Amplitude einen unerwünschten Schaltvorgang einleiten. In derselben
Weise können bei astabiler Kippstufe Störimpulse vom Ausgang her den gewünschten
regelmäßig sich wiederholenden Kippzyklus verfälschen.
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Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, Kippstufen rückwirkungsfrei
zu machen, da Störimpulse auf den Ausgangsleitungen wegen unkontrollierbarer kapazitiver
Kopplungen mit impulsführenden Leitungen (Verdrahtungskapazität) nur unter großem
Aufwand völlig beseitigt werden können. In einer bekannten rückwirkungsfreien Kippstufe
dienen die Kollektorelektroden nicht direkt als Ausgang der Kippstufe, sondern sie
sind über zusätzliche Transistorverstärker vom Ausgang entkoppelt.
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Bei einer anderen bekannten Kippstufe liegt der Richtleiter auf der
Ausgangsseite parallel zu dem Verbraucher und in Reihe mit seiner Stromquelle. Hierbei
zieht der Transistor über den betreffenden Lastwiderstand und den nachgeschalteten
Richtleiter Strom. Es besteht bei dieser Anordnung daher ebenfalls die Gefahr, daß
ein äußerer Störimpuls den Kippvorgang einleitet.
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Die Erfindung bezweckt, die bei diesen bekannten Kippstufen bestehenden
Unzulänglichkeiten zu vermeiden bzw. den mit diesen bekannten Kippstufen verbundenen
Aufwand zu verringern.
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Gemäß der Erfindung ist die Versorgungsspannung am Verbindungspunkt
des Richtleiters mit dem Lastkreis über einen besonderen Arbeitswiderstand zugeführt,
und zwar in der Weise, daß die Potentialdifferenz zwischen dem Kollektor des gesperrten
Transistors und der Ausgangsklemme so gerichtet ist, daß der Richtleiter bei gesperrtem
Transistor ebenfalls gesperrt ist. Durch diese Maßnahme kann die durch Einfügung
des Richtleiters verursachte Verringerung des nutzbaren Ausgangsspannungssprungs
um den Abfall am Richtleiter durch Wahl der Emitter-Betriebsgleichspannung kompensiert
werden. Es wird ferner durch die Sperrung des Richtleiters jede Möglichkeit der
Rücktriggerung der Kippstufe vermieden.
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Diese und weitere Merkmale der Erfindung werden im folgenden an Hand
einiger Ausführungsbeispiele mit Hilfe der F i g. 1 bis 3 näher erläutert, wobei
F i g. 1 das Schaltschema einer Kippstufe mit pnp-Transistoren, F i g. 2 die möglichen
Kupplungselemente der Kippstufe und
F i g. 3 das Schaltschema eines
astabilen Multivibrators gemäß der Erfindung zeigt.
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In F i g. 1 sind zwei Transistoren 1 und 2 vom pnp-Typ in Emitterschaltung
angedeutet, d. h. daß die Emitter beider Transistoren auf einer gemeinsamen positiven
Betriebsgleichspannung -I- U1 liegen. Die Basis des ersten Transistors ist über
einen Basiswiderstand 3 mit einer beispielsweise größeren positiven Vorspannung
--I- U2 .verbunden und wird außerdem vom Eingang 4 der Kippstufe über einen Vorwiderstand
5 und einen Richtleiter 6 angesteuert. Die Ansteuerung ist synchronisiert durch
einen Takt T, der dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 5 und dem Richtleiter
6 über einen Kondensator 7 zugeleitet wird.
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Was bisher über die Elemente 3 bis 7 und den ersten Transistor 1 gesagt
wurde, gilt sinngemäß für die Elemente 8 bis 12 und den zweiten Transistor,
da die Schaltung symmetrisch aufgebaut ist. Die Arbeitswiderstände 13 und
14 der beiden Transistorstufen sind erfindungsgemäß mit den entsprechenden
Kollektorelektroden über je einen Richtleiter 15 und 16 verbunden, welche so gepolt
sind, daß sie den Kollektorstrom durchlassen. Zwischen den Widerständen
13 bzw. 14 und den erfindungsgemäßen Richtleitern 15 bzw. 16 sind
die zueinander komplementären Ausgänge 17 bzw. 18 angeordnet.
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In bekannter Weise liegen koppelnde Schaltelemente zwischen der Basis
eines Transistors und der Kollektorelektrode des jeweils anderen Transistors. Diese
Elemente können je nach der gewünschten Kippfunktion verschieden sein und sind in
dieser Figur durch ein Blockkästchen 19 bzw. 20 symbolisiert.
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Soll die Kippstufe zwei stabile Lagen besitzen, dann wird man entweder
einen Widerstand (F i g. 2 b) oder für kurze Schaltzeiten die Parallelschaltung
eines Widerstandes mit einem Kondensator als koppelnde Schaltelemente benutzen (F
i g. 2 a). Monostabile Kippstufen weisen einseitig einen Kondensator (F i g. 2 c)
auf und sind in der anderen Transistorstufe wie ein bistabiles Element aufgebaut.
Astabile, d. h. frei schwingende Kippstufen, besitzen in beiden Rückkopplungszweigen
19, 20 je einen Kondensator.
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Zur Stabilisierung der Arbeitspunkte der erfindungsgemäßen Richtleiter
15 bzw. 16 ist für jede Transistorstufe noch ein Widerstand 21 bzw.
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vorgesehen, der zwischen Kollektorelektrode und negativer Betriebsspannung
liegt und zusammen mit den Koppelelementen und dem Basiswiderstand einen Spannungsteiler
für den jeweiligen Richtleiter darstellt. Der Widerstandswert ist so gewählt, daß
der entsprechende Richtleiter bei gesperrtem Transistor ebenfalls sicher sperrt.
Die Kollektorspannung des gesperrten Transistors muß negativer sein als die Spannungen
an den Ausgängen 17 bzw. 18, die durch die Verbraucherlast und den Kollektorwiderstand
13 bzw. 14 bestimmt wird.
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Da der erfindungsgemäße Richtleiter 15 bzw. 16 so gepolt ist, daß
der Strom des jeweils zugeordneten Transistors 1 bzw. 2 durch ihn hindurchfließen
kann, hat er im Normalbetrieb nur einen geringen ohmschen Durchflußwiderstand und
wirkt sich auf die Ausgangsspannung an den Ausgängen 17 bzw. 18
nur
in einer Verringerung des Spannungssprungs um diesen Spannungsabfall aus. Dieser
Spannungsabfall kann jedoch gemäß weiterer Erfindung bezüglich der Ausgangsspannung
kompensiert werden, indem das gemeinsame Emitterpotential -f- U1 um den Betrag dieses
Spannungsabfalls erhöht wird.
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Ein auftretender Störimpuls an den Ausgängen 17 bzw. 18 kann nun den
Kippzustand nicht mehr ändern. Ist der Transistor, an dessen Kollektor der Störimpuls
anliegt, gerade gesperrt, dann findet der Störimpuls den erfindungsgemäßen Richtleiter
auch im Sperrzustand vor und bleibt deshalb für die Schaltung wirkungslos. Erreicht
ein Störimpuls eine Ausgangsklemme, die mit dem Kollektor eines gerade leitenden
Transistors verbunden ist, dann bleibt er ebenfalls wirkungslos, da der (gesperrte)
gegenüberliegende Transistor (dessen Basis allein beeinflußt werden kann) durch
einen positiven Impuls nur besser gesperrt wird und durch einen negativen Impuls
nicht erreicht wird, denn die Kollektor-Emitter-Strecke eines leitenden Transistors
ist wesentlich niederohmiger als die Serienschaltung des Koppelgliedes und der Basis-Emitter-Strecke
eines gesperrten Transistors.
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Durch die erfindungsgemäße zusätzliche Schaltung an den Ausgängen
der Kippstufe wird also eine Beeinflussung des Kippzustands verhindert. Ein weiterer
Vorteil ergibt sich aus der erfindungsgemäßen Schaltung dadurch, daß die kapazitive
Belastung der Kippstufe erhöht werden kann, ohne daß die Kippzeit länger wird. Bei
gegebener Taktamplitude ist die maximale Lastkapazität der Kippstufe festgelegt.
Wird die Belastung erhöht, dann vergrößert sich bei bekannten Schaltungen die Laufzeit
der Taktimpulse durch die Kippstufe und die Kippstufe würde nicht mehr umkippen
können. Durch die erfindungsgemäßen Richtleiter wird jedoch die kapazitive Belastung
dann abgetrennt, wenn sie eine Erhöhung der Kippschaltzeit ergeben würde. In diesem
Augenblick wird die zusätzliche Belastung unwirksam.
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Daß sich die Erfindung nicht nur bei einem Ausführungsbeispiel gemäß
F i g. 1 anwenden läßt, sondern vielmehr an vielen der heute bekannten symmetrischen
Kippschaltungen mit Transistoren vorteilhaft verwendet wird, soll abschließend durch
das Beispiel eines astabilen Multivibrators an Hand von F i g. 3 belegt werden.
Dieses Beispiel enthält im Gegensatz zu dem vorher Geschilderten npn-Transistoren,
so daß sich die Stromflußrichtungen der erfindungsgemäßen Richtleiter
15a bzw. 16a umkehren. Im übrigen arbeitet diese Schaltung wie die oben geschilderte,
so daß sich eine nähere Erläuterung erübrigt und funktionsgleiche Teile mit denselben
Bezugszeichen und nachgestellten Buchstaben a gekennzeichnet sind. In bekannter
Weise sind dabei die Polaritäten der Betriebsgleichspannungen umgekehrt.
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Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, daß die erfindungsgemäßen
Richtleiter in beiden Ausgängen der Kippstufe angebracht sind, sondern sie sind
nur da sinnvoll, wo überhaupt Ausgangsimpulse entnommen werden sollen. Das kann
jede beliebige, es können aber auch beide Seiten der Kippstufe sein. Schließlich
ist die Erfindung nicht beschränkt auf Kippstufen, die aus Transistorstufen in Emitterschaltung
aufgebaut sind.