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Astabile Multivibratorschaltung zur Erzeugung von Impulsen mit niedriger
Impulsfolgefrequenz und mit unsymmetrischem Impulslängenverhältnis Die vorliegende
Erfindung betrifft eine astabile Multivibratorschaltung zur Erzeugung von Impulsen
mit niedriger Impulsfolgefrequenz und sehr unsymmetrischem Impulslängenverhältnis.
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Es ist allgemein bekannt, zur Erzeugung von Impulsen astabile Multivibratoren
zu verwenden, die aus elektronischen Schaltmitteln (z. B. Röhren, Transistoren)
aufgebaut sind. Das Merkmal solcher Schaltungen ist, daß sie nach einer einmaligen
Anregung abwechselnd einen ihrer beiden Zustände einnehmen. Der Zeitabstand zwischen
den beiden Zuständen wird dabei durch die Dimensionierung ihrer Zeitkreise bestimmt.
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Der Verwendung bekannter astabiler Kippschaltungen ist aber immer
dann eine Grenze gesetzt, wenn Impulse gefordert werden, deren Impulsfolgefrequenzen
extrem klein und deren Impulslängenverhältnisse extrem unsymmetrisch werden sollen.
Solche Forderungen werden beispielsweise an Impulstaktgeber in Vermittlungsämtern
gestellt, in denen zum Zwecke der Bewertung von Verbindungen zur Gebührenerfassung
Impulse benötigt werden, deren zeitliche Folge individuell einstellbar sein soll
und die damit jedem gewünschten Tarif angepaßt werden können.
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Soll nämlich die Impulsdauer durch das individuell streuende Verhalten
der einzelnen Transistoren nicht wesentlich beeinflußt werden, so ist man gezwungen,
die Zeitkreiswiderstände um mindestens eine Größenordnung kleiner zu machen, als
die minimalen Basis-Sperrwiderstände der einzelnen Transistoren. (Bei einer Temperatur
von etwa 60° C.) Aus diesem Grunde ist der Impulsfolgefrequenz eine untere Grenze
gesetzt, die nicht unterschritten werden kann, ohne daß die Impulsdauer undefiniert
werden würde.
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Weiterhin wirkt auf die Impulsdauer erheblich die hohe Störanfälligkeit
astabiler Kippschaltungen gegenüber Betriebsspannungsschwankungen ein. Bei den üblichen
astabilen Kippschaltungen beeinflussen die Ladestromstöße der Zeitkreiskondensatoren
das Niveau der Betriebsspannungen und damit die Impulsdauer. Man umgeht diese Schwierigkeit
bekanntlich im allgemeinen dadurch, daß man die Siebkondensatoren entsprechend groß
dimensioniert, so daß sie ohne wesentliche Änderung ihrer Spannung die Ladungsmengen
der Zeitkreiskondensatoren liefern können.
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Besonders nachteilig ist außerdem, daß das Impulslängenverhältnis
der astabilen Kippschaltung nur in engen Grenzen unsymmetrisch gemacht werden kann.
Das geschieht bekanntlich in der Weise, daß ein Kondensator großer und ein zweiter
Kondensator kleiner Kapazität verwendet wird. Allerdings hat die Erzeugung von Impulsen
mit unsymmetrischen Impulslängen gemäß diesem Vorschlag den Nachteil, daß die Aufladung
des den langen Impuls erzeugenden großen Kondensators während der Zeitdauer des
kurzen Impulses über den strombegrenzenden Kollektorwiderstand eines gesperrten
Transistors erfolgt. Die Aufladung wird aus diesem Grunde nur unvollständig geschehen.
Da jedoch die Impulslängen durch die Entladung der (hier unvollständig aufgeladenen)
Zeitkreiskondensatoren erzeugt werden, ist eine in den Zeitkreisen unsymmetrische
Schaltung zur Erzeugung von Impulsen mit extrem unterschiedlichen Impulslängen nicht
geeignet.
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Die Schwierigkeit besteht demnach darin, den großen Zeitkreiskondensator
so rasch aufzuladen, daß die Aufladung auch während der Zeitdauer des kurzen Impulses
vollständig durchgeführt wird.
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Nun sind bereits Lösungen bekannt, die dieses Problem dadurch umgehen,
daß besondere Ladeschaltungen vorgesehen werden: Da dazu jedoch ein zusätzlicher,
erheblicher Schaltungsaufwand erforderlich ist, wird der Gewinn an Ladezeit durch
den Aufwand an Schaltmitteln erkauft. Eine andere bekannte Lösung, die hauptsächlich
in Integrationsschaltungen und in Schaltungen zur Erzeugung steilflankiger Impulse
benutzt wird, verwendet zur schnellen Umladung eines Kondensators mindestens einen
gesteuerten Transistor.
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Die Erfindung setzt sich nun zum Ziel, diese Nachteile, die einer
Verwendung von astabilen Multivibratorschaltungen
als Impulstaktgeber
zur Erzeugung von Impulsen mit niedriger Impulsfolgefrequenz und mit unsymmetrischem
Impulslängenverhältnis hindernd im Wege stehen, zu vermeiden.
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Die Lösung dieses Problems wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht,
daß die Kopplung der beiden Multivibratortransistoren über die Basis-Emitter-Strecke
mindestens eines in den Zeitkreisen eingeschalteten zusätzlichen Transistors geschieht
und daß die Kippzeit durch die Aufladung der Zeitkreiskondensatoren bestimmt wird,
die zu diesem Zweck durch in den Zeitkreisen angeordnete Dioden von den Basen der
zusätzlichen Transistoren entkoppelt sind.
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Es ist bereits eine Schaltung zur Erhöhung der Periodendauer bekannt,
die außer den beiden Kipptransistoren noch weitere Transistoren besitzt, die mit
den Kipptransistoren in Wechselwirkung stehen. Diese Schaltung ist jedoch nicht
geeignet, Impulse mit unsymmetrischem Impulslängenverhältnis zu erzeugen, da die
Kippzeit stets durch die Entladung der Zeitkreiskondensatoren geschieht. Ein weiterer
Nachteil dieser Schaltung liegt darin, daß stets alle Transistoren voll durchgesteuert
sein müssen, wodurch die Impulsfolgefrequenz zu niederen Werten hin begrenzt wird.
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Wird dagegen eine gemäß dem Erfindungsgedanken aufgebaute Schaltung
verwendet, so ist es möglich, eine astabile Kippschaltung sowohl mit unsymmetrischem
Impulslängenverhältnis zu betreiben als auch eine sehr niedrige Impulsfolgefrequenz
zuzulassen. Ersteres deshalb, weil die Entladung der die Impulszeiten bestimmenden
Zeitkreiskondensatoren über die von den Zeitkreisen zu steuernden, innerhalb der
Kippschaltung selbst angeordneten elektronischen Schaltelementen während eines leitenden
Zustandes erfolgt. Die Entladung der großen Zeitkreiskapazität geschieht nicht mehr
wie bisher über den großen Kollektor-Widerstand eines gesperrten Transistors, sondern
sehr rasch über die niederohmige Emitter-Kollektor-Strecke eines geöffneten Transistors.
Damit wird sichergestellt, daß die Umladung der großen Zeitkreiskapazität auch während
des kürzeren Impulses vollständig durchgeführt wird. Das zweite Merkmal wird dadurch
erreicht, daß zusätzliche elektronische Steuermittel vorhanden sind, durch die sichergestellt
wird, daß die Widerstände in den Zeitkreisen sehr hochohmig gemacht werden können,
ohne daß die Zeitkreise durch individuelle Transistoreigenschaften beeinflußt würden.
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Einzelheiten der Erfindung werden an einem Beispiel, das in der F
i g. 1 dargestellt ist, ausführlich erläutert.
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Die Basis eines Multivibrators T 1 bzw. T 4 ist über
die Emitter-Basis-Strecke eines zusätzlichen Transistors T 2 bzw.
T3, eine Diode D 2 bzw. D I,
einen strombegrenzenden Widerstand
R 6 bzw. R 5 und einen Kondensator C2 bzw. C1 an den Kollektor des anderen Multivibratortransistors
T 4 bzw. T 1
gekoppelt. Es wird angenommen, daß nach Einschalten der
Betriebsspannungen ± Ub der erste sich einstellende Zustand dadurch gekennzeichnet
sein soll, daß der Transistor T1 gesperrt und, der Kondensator C 1 ungeladen
ist. Transistor T 3 und Transistor T 4
sind durch den
über den Widerstand R 11 fließenden Basisstrom von Transistor T 3
leitend. Die Diode D 1
ist gesperrt, von -I- Ub fließt ein Strom über
die Widerstände R 4 und R6, die geöffnete Diode D 2 und den Widerstand R>9 zum negativen
Pol der Spannungsquelle - Ub. Gleichzeitig ist der Transistor T 2 durch einen
über den Widerstand R 2, die Emitter-Basis-Strecke von Transistor T2 und den Gleichrichter
G2 nach MTB fließenden Strom leitend gehalten. Das Emitter-Potential des Transistors
T 2 liegt an der Basis des Transistors T 1 und hält diesen gesperrt.
Der von -i- Ub über R 1 fließende Strom wird zur Aufladung des Kondensators C 1
verbraucht, der so weit aufgeladen wird, daß Diode D 1 durchlässig und das Potential
an der Basis und am Emitter von T 3 über den Wert von MTB (d. h. > 0) angehoben
wird. Der Transistor T4 wird dann durch ein positives Basispotential gesperrt. Jetzt
ist die Diode D 2 gesperrt, und der über R 4 fließende Strom wird zur Aufladung
von Kondensator C2 verwendet. Der Basisstrom von T2 fließt nun allein über R 9,
so daß T 1 und T 2 leitend wird. Der Zeitkreiskondensator C1 wird
äußerst rasch über die niederohrnige Emitter-Kollektor-Strecke des leitenden Transistors
T 1 sowie über R 5, D 1 und G3 nach MTB entladen. Diese Entladung
geschieht in jedem Fall so schnell, daß auch für die Dauer eines kurzen Impulses
die Entladung vollständig abgeschlossen ist, ehe die Aufladimg des Kondensators
C 2 einen solchen Wert erreicht hat, daß die Diode D 2 durchlässig gesteuert wird.
Erst dann werden Basis- und Emitterpotential von Transistor T2 angehoben, so daß
der Transistor T1 wieder in den Sperrzustand gesteuert wird. Damit ist ein Vorgang
beendet, der sich nun in gleicher Weise wiederholt.
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Die Widerstände R 5 und R 6 sind als strombegrenzende Widerstände
vorgesehen und können so klein gemacht werden, daß sie auch bei sehr kleinen Impulszeiten
die Entladung der Zeitkreiskondensatoren nicht behindern. Die üblichen Nachteile
astabiler Multivibratorschaltungen werden in dieser Schaltungsanordnung vermieden.
Die Hochohmigkeit der Zeitkreiswiderstände R 1 und R 4 kann ohne weiteres gewährleistet
werden, da z. B. der Transistor T 1 über einen zusätzlichen Transistor
T 2 gesperrt wird, so daß der durch den Widerstand R 4 fließende Strom nur
so groß sein muß, wie der vorher über R9 fließende Basisstrom von Transistor T2.
Ein zusätzlicher Sperrstrom für diesen Transistor ist nicht erforderlich. Das gleiche
gilt auch für den Zeitkreiswiderstand R 1. Mit Hilfe eines zusätzlichen Transistors
T 3 wird die Sperrung des Transistors T 4 dadurch erreicht, daß der
Widerstand R 1 nur den vorher über R 11 fließenden Basisstrom von Transistor T3
liefern muß. Zur Sicherstellung der Aufladung der Zeitkreiskondensatoren C1 bzw.
C2 über die hochohmigen Widerstände R 1 bzw. R 4 sind Dioden D 1 bzw.
D 2 vorgesehen, die die Basen der Transistoren T 3 bzw.
T 2 entkoppeln.
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Die Stromstöße (Ladungsmengen), die bei der Entladung der Zeitkreiskondensatoren
entstehen, werden nicht der Betriebsspannung zugeführt, so daß auch deren Spannungsniveau
nicht beeinflußt wird.
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In vielen Fällen genügt die Unsymmetrie der erzeugten Impulse, wie
sie mit der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 erreicht wird, nicht mehr. Die Forderung
nach einem unsymmetrischen Impulslängenverhältnis kann gerade bei der Verwendung
der astabilen Multivibratorschaltung als Impulstaktgeber in Vermittlungsämter so
extrem werden, daß das Umschalten des am Ende des langen Impulses vom
leitenden
in den gesperrten Zustand zu steuernden Transistors in diesem Fall so langsam geschieht,
daß die Wechselstromrückkopplung vom Kollektor dieses Transistors zur Basis des
anderen versagt. Die Schwingung des astabilen Multivibrators reißt dann ab.
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Durch eine Weiterentwicklung der Erfindung wird dieser Nachteil dadurch
vermieden, daß eine Wechselstromrückkopplung durch eine Gleichstromrückkopplung
ersetzt wird. Zur Durchführung dieser Lösung wird gemäß der Erfindung die Schaltungsanordnung
der F i g. 2 vorgeschlagen, deren Wirkungsweise im einzelnen folgendermaßen ist.
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Es wird angenommen, daß beim Einschalten der Betriebsspannungen
± Ub der Kondensator C 1 ungeladen sei. Sowohl Diode D 1 und Diode D 2 als
auch Diode D 4 sind gesperrt. Der über R 6 fließende Basisstrom des Transistors
T2 hält diesen leitend; durch sein Kollektorpotential wird der Transistor T 1 gesperrt,
während der Transistor T3 durch den über D 3 und R10 fließenden Basisstrom leitend
gehalten wird. Der Kondensator C 1 wird über den hochohmigen Widerstand R 1 und
den Gleichrichter G 3 langsam aufgeladen und erzeugt dabei den langen Impuls. Der
Spannungsabfall am Durchlaßwiderstand von G3 bewirkt, daß nach einiger Zeit erst
D 2 und dann D 4 durchlässig werden. Damit wird T 2 gesperrt und durch den über
R 7 fließenden Basisstrom T 1 geöffnet. Die Entladung von C 1 erfolgt über D 4 und
den Widerstand R10 und bestimmt damit die Dauer des kurzen Impulses, der durch einen
entsprechend niederohmigen Wert von RIO kurz gemacht wird. Während der Entladung
von C 1 wird D 3 gesperrt und bewirkt damit, daß auch T3 gesperrt und nunmehr C2
aufgeladen wird. Ist die Entladung von C 1 inzwischen so weit fortgeschritten, daß
über D 3 und R10 wieder Basisstrom von T 3 fließt, so wird T 3 leitend
und sperrt über C 1 den Transistor T 1. Mit der erneuten Rufladung von C 1 über
R 1 beginnt der beschriebene Vorgang von neuem.
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Die verschiedenen Impulslängen werden also hier allein an dem Kondensator
C 1 erzeugt, wobei dessen Rufladung über den hochohmigen Widerstand R 1 langsam
und seine Entladung über den niederohmigen Widerstand R 10 sehr schnell geschieht.
Um zu gewährleisten, daß am Ende eines langen Impulses, wenn nämlich der Transistor
T2 langsam vom leitenden in den gesperrten Zustand gesteuert wird, die Schwingung
nicht abreißt, ist eine Gleichstromrückkopplung von T 2 nach T l, nämlich
die direkte Verbindung vom Kollektor von T 2 zur Basis von T 1
vorgesehen.
Im Fall des kurzen Impulses ist eine derartige Kopplung nicht notwendig, da dann
der steile Spannungsanstieg am Kollektor des Transistors T3, der am Ende des kurzen
Impulses leitend wird, genügt, um T1. über den Koppelkondensator C2 zu sperren.
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Die Erzeugung des langen Impulses erfordert einen relativ kleinen
Ladestrom von Cl, so daß man vorteilhaft eine kleine Kondensatorbauform mit
guter zeitlicher Konstanz verwenden kann. Die Dioden D 1, D 2 und
D 4 sind notwendig, damit der kleine Ladestrom nicht durch andere Schaltungseinflüsse
gestört wird.
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Die Entkopplung des Kondensators C1 bei der Erzeugung des kurzen Impulses
erfolgt durch G 3 und D 3. Die Forderung nach - einem hochohmigen Zeitkreiswiderstand
R 1, der zur Erzeugung des langen Impulses notwendig ist, wird erfindungsgemäß dadurch
erfüllt, daß das Kollektorpotential des gesperrten Transistors T2 auf dem Niveau
des Basispotentials des leitenden Transistors T 1 abgefangen wird. Man erreicht
damit, daß die Sperrspannung des Transistors T 2 klein bleibt und deshalb auch R
1 nur einen kleinen, in die Basis von Transistor T2 fließenden Sperrstrom zu liefern
braucht. Der Basissperrstrom für Transistor T 3 wird vom Widerstand R 3 geliefert.
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Weiterhin ist es möglich, die Betriebsspannung an einem Vorwiderstand
R 9 zu erzeugen und zur Stabilisierung bei den Umschaltevorgängen nur einen kleinen
Siebkondensator C 3 zu verwenden, da die Transistoren T 2 und T 3
nur während des langen Impulses, der Transistor T1 nur während des kurzen Impulses
leitend ist. Sowohl der durch den Widerstand R 5 als auch der durch die in Reihe
liegenden Widerstände R 4 und R 8 fließende Strom ist gleich; d. h., der Strombedarf
an den Eingangsklemmen A ist für jeden der beiden Zustände der astabilen Kippschaltung
nahezu gleich, da die anderen Ströme entweder vernachlässigbar sind oder aber dauernd
fließen.
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Eine weitere Änderung in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
der F i g. 2 ermöglicht es, die astabile Kippschaltung als monostabile Kippschaltung
zu betreiben. Werden die Widerstände R 3, R 4 und R8, der Gleichrichter G2, der
Transistor T3 sowie der Kondensator C 2 in der F i g. 2 entfernt und wird der Minusanschluß
von D 3 direkt an MTB gelegt, so kann der lange Impuls einmalig erzeugt werden,
wenn ein positiver Auslöseimpuls auf die Basis von T1 gelangt.
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Die Erfindung ist nicht allein auf die Verwendung von pnp-Transistoren
beschränkt sondern kann bei entsprechender Polung natürlich auch mit npn-Transistoren
oder Röhren ausgeführt werden.