DE1219970B

DE1219970B - Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Impulsen

Info

Publication number: DE1219970B
Application number: DED44638A
Authority: DE
Inventors: Owen J Ott
Original assignee: Data Control Systems Inc
Current assignee: Data Control Systems Inc
Priority date: 1963-05-10
Filing date: 1964-06-09
Publication date: 1966-06-30
Also published as: US3238382A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al - 36/02

Nummer: 1 219 970

Aktenzeichen: D 44638 VIII a/21 al

Anmeldetag: 9. Juni 1964

Auslegetag: '30. Juni 1966

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Impulsen von in etwa trapezförmiger Gestalt.

Diese Impulse werden durch Begrenzung der positiven und negativen Halbwellen einer sinusförmigen Eingangsspannung mit zwei halbleitenden Dioden erzeugt, wobei die Dioden zwischen der Eingangsspannungsquelle und einem Lastwiderstand in Reihe geschaltet und so gepolt sind, daß die durch sie fließenden Ströme in Richtung auf den Verbindungspunkt zwischen den Dioden fließen. Eine solche Art der Einschaltung von zwei Dioden in eine Schaltungsanordnung ist durch die deutsche Patentschrift 873 568 bekanntgeworden.

Die mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzeugten Impulse oder trapezförmigen Schwingungen können durch weitere Maßnahmen in eine Rechteckschwingung umgeformt werden.

Rechteckschwingungen werden in den verschiedensten elektronischen Einrichtungen benötigt. So z. B. benötigt man Rechteckwellen zur Zeitmessung. Weiter dienen sie zum Auslösen von Schaltvorgängen. Ebenso dienen sie zum Erzeugen von Impulsen mit steilen Anstiegs- und Abfallflanken. In Frequenzmodulatoren werden sie weiter dazu verwendet, die Zeitaugenblicke zu bestimmen, in denen eine Spannungswelle eine Achse schneidet.

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung mit zwei halbleitenden Dioden, die zwischen der Eingangsquelle und dem Lastwiderstand liegen und so gepolt sind, daß die durch sie fließenden Ströme in Richtung auf den Verbindungspunkt zwischen den Dioden fließen, werden durch die Erfindung die trapezförmigen Impulse dadurch erzeugt, daß ein Transistor vorgesehen ist, der Kollektor des Transistors an den Verbindungspunkt zwischen den Dioden angeschlossen ist, die Basis und der Emitter des Transistors an feste Potentialwellen angeschlossen sind, ein erster Kondensator an das freie Ende der Diode angeschlossen ist, ein erster und ein zweiter Widerstand mit im wesentlichen gleichen Widerstandswerten vorgesehen sind, eine dritte feste Potentialquelle, der erste Widerstand zwischen dem Verbindungspunkt des Kondensators und der Diode einerseits und der dritten Potentialquelle andererseits geschaltet ist, der zweite Widerstand zwischen dem freien Pol der zweiten Diode einerseits und der dritten Potentialquelle andererseits liegt, ein zweiter Kondensator vorgesehen ist, der zwischen dem Pol der zweiten Diode und einem konstanten Lastwiderstand liegt, und dieser Lastwiderstand zwischen einer Bezugspotentialquelle einerseits und dem an-Schaltungsanordnung zur Erzeugung von
Impulsen

Anmelder:

Data-Control Systems, Inc.,

Danbury, Conn. (V. St. A.)

Vertreter:
ίο Dr.-Ing. E. Berkenfeld

und Dipl.-Ing. H. Berkenfeld, Patentanwälte,
Köln-Lindenthal, Universitätsstr. 31

Als Erfinder benannt:

Owen J. Ott, Brookfield, Conn. (V. St. A.)

deren Ende des zweiten Kondensators andererseits liegt.

Der Transistor wird so ausgewählt und so geschaltet, daß er sehr hochohmig ist und wie eine Konstant-Stromquelle arbeitet.

Weitere Merkmale, die zum Teil den Gegenstand von Unteransprüchen bilden, ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des Schaltbildes.

Fig. 1 ist ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Fig. 2A ist eine Darstellung der an die Schaltungsanordnung angelegten sinusförmigen Eingangsspannung;

Fig. 2B ist eine im gleichen Zeitmaßstab aufgetragene Darstellung der von der Schaltungsanordnung erzeugten Ausgangsspannung bzw. der trapezförmigen Impulse.

F i g. 1 zeigt einen Transistor 10 mit einem Kollektor 11, einer Basis 12 und einem Emitter 13. Der Emitter 13 ist über einen Widerstand 15 an eine feste Potentialquelle 16 angeschlossen. Die Basis 12 ist an eine feste Potentialquelle 14 angeschlossen.

Die beiden Dioden 17 und 18 sind an einem Verbindungspunkt 19 verbunden. Die Dioden 17 und 18 sind so gepolt, daß der Strom in Richtung auf den Verbindungspunkt 19 fließt. Der Kollektor 11 des Transistors 10 ist an den Verbindungspunkt 19 angeschlossen.

Der Widerstand 20 ist an den Pol 21 der Diode 17 angeschlossen. Der Widerstand 23 ist an den Pol 24 der Diode 18 angeschlossen. Mit ihren anderen Enden sind die Widerstände 20 und 23 an eine feste Potentialquelle 22 angeschlossen.

609 587/386

3 4

Am Eingang der Schaltung liegt ein Kondensator vernachlässigbar klein ist. Im allgemeinen kann man 25, der an die Verbindungsstelle zwischen Wider- bei leitenden Dioden hiervon ausgehen,
stand 20 und Diode 17 angeschlossen ist. Am ande- Haben die Widerstände 20, 23 und 29 die in der ren Pol des Kondensators 25 liegt die Eingangs- Tabelle genannten Werte, befinden sich die Dioden klemme 26. Der zweite Pol des Eingangs wird 5 17 und 18 in einem Zustand, der ein Begrenzen durch die Eingangsklemme 35 gebildet, die an ein schon bei verhältnismäßig kleinen Spannungen er-Bezugspotential angeschlossen ist. Im gezeigten Bei- möglicht. Zum Beispiel wird die Diode 17 so lange spiel ist sie mit Masse verbunden. leiten, wie das Potential an ihrem Pol 21 positiver Am Ausgang der Schaltung liegt ein Kondensator als das Potential am Verbindungspunkt 19 ist. So-27, dessen anderer Pol am Pol 24 der Diode 18 und io bald das Potential am Pol 21 unter das Potential am am Widerstand 23 angeschlossen ist. An den Kon- Verbindungspunkt 19 abfällt, wird die Diode 17 die densator27 ist dann noch die Ausgangsklemme 28 zugeführte Spannung beschneiden und wie ein unangeschlossen. Ein Lastwiderstand 29 liegt zwischen endlich großer Widerstand wirken. Dies tritt bei der Ausgangsklemme 28 und einem Bezugspotential negativen Spannungen an der Eingangsklemme 26 bzw. Masse. 15 auf. Dies liegt daran, daß der niedrige Lastwider-Zur Vereinfachung der Beschreibung sei einmal stand 29 verhindert, daß die Spannung am Verbinangenommen, daß die einzelnen Schaltelemente fol- dungspunkt 19 um mehr als etwa —0,1V vom gende Größen haben: Ruhepotential abweicht. Sobald die Diode 17 sperrt, ·. Potentialquelle 16 —35 V führen weitere negative Schwankungen an der Ein-

. _T u _1Λ η λ/ ^zo gangsklemme 26 nicht zu einer zusätzlichen Aus-

rotentiaiqueiie 14 -12 V gangsspannung am Lastwiderstand 29. Das heißt,

Potentialquelle 22 +12 V d_aß negative Spitzen des Eingangssignals abgeschnit-

Widerstand 20 24 kOhm ten werden.

Widerstand 23 24 kOhm Während der positiven Halbwellen des Eingangs-

WiHpi-ctanri 15 Oi VOhm ²S signals bleibt die Diode 17 leitend, und das Potential

, „„ „„„ _, am Verbindungspunkt 19 folgt den Schwankungen

Lastwiderstand 29 200 Ohm _des _{Bingangssignah}. Sobald jedoch die Diode 18

Kondensator 25 1 mF durch eine positive Spannung am Verbindungspunkt

Kondensator 27 1 mF 19 gesperrt wird, wird ein weiterer Durchgang zum

30 Lastwiderstand 29 unterbunden, und die positiven

Bei der obengenannten Polarität der Potential- Spitzen werden abgeschnitten. Die Kondensatoren 25

quellen wird ein Transistor 10 vom NPN-Typ ver- und 27 dienen in erster Linie als Gleichspanmmgs-

wendet. Blockkondensatoren. Ihre Werte werden auf be-

Die Potentialquellen 16 und 14 und der Wider- kannte Weise bestimmt.

stand 15 bestimmen den Kollektor-Emitter-Strom. 35 Der Lastwiderstand 29 stellt die Impedanz dar, an Es ist erwünscht, daß der Verbindungspunkt 19 fast der das Ausgangssignal abgenommen wird. In seiner oder ganz auf Massepotential liegt. Entsprechend einfachsten Form ist der Lastwiderstand ein ohmwird der Widerstand 15 gewählt. Mit den in der Ta- scher Widerstand. Bei Zusammenschaltung mit den belle genannten Werten und bei Verwendung eines vorgenannten Werten ist der Wert des Lastwiderüblichen Transistors ergibt sich ein Kollektor- 4° Standes 29 im Vergleich zu dem der Widerstände 20 Emitter-Strom von etwa 1 mA. . und 23 gering.

Der Transistor 10 ist in Basisschaltung geschaltet. Im folgenden wird die Wirkungsweise der Schal-Arn Kollektor 10 ergibt sich dabei ein hoher Wider- tungsanordnung erläutert. Fig. 2A zeigt eine Sinusstand. Der Strom vom Kollektor zur Basis wird dann spannung, die an die Eingangsklemmen 26 und 35 gering im Vergleich zum Kollektor-Emitter-Strom 45 angelegt wird. Im Zeitaugenblick Null ist die Span- und kann vernachlässigt werden. Der von dem Wi- nung ebenfalls Null. Zu diesem Zeitpunkt fließt derstand 15 und den Potentialquellen 14 und 16 ab- durch jeden Widerstand 20 und 23 je 0,5 mA. Durch hängende Kollektor-Emitter-Strom ist praktisch voll- den Transistor 10 fließt 1 mA.
ständig von diesen Werten abhängig und praktisch Steigt die Eingangsspannung ins Positive, fließt ein unabhängig von dem Potential, auf dem der Kollek- 5° Strom von der Eingangsklemme 26 durch die Diode tor liegt. 17. Bei stärker positiv werdender Eingangsspannung Ohne Eingangssignal setzt sich der durch den sperrt die andere Diode 18 allmählich, da dann das Transistor 10 fließende Strom von 1 mA aus zwei Potential am Verbindungspunkt 19 gegenüber dem gleichen Anteilen zusammen. Der eine Anteil fließt Potential am Pol 24 ansteigt. Der aus der Potentialaus der Potentialquelle 22 über den Widerstand 20 55 quelle 22 über den Widerstand 23 abfließende Strom und die Diode 17. Der andere Anteil fließt über den weicht dann zum Lastwiderstand 29 aus, d. h., er Widerstand 23 und die Diode 18. Aus Gründen der fließt nicht mehr durch die Diode 18. Dieser Strom Symmetrie sollten diese beiden Anteile gleich sein. fließt durch den Lastwiderstand 29, da ja die Poten-Wie bereits angegeben wurde, wird das Potential tialquelle 22 ein positives Potential hat und der Lastan dem Verbindungspunkt 19 so eingeregelt, daß 6o widerstand 29 auf Massepotential liegt. Die an der dieser fast oder vollständig auf Massepotential liegt. Ausgangsklemme 28 abgreifbare Spannung spiegelt Gemäß der Tabelle hat die Potentialquelle 22 eine somit die Eingangsspannung wider. Dieser Zustand Spannung von +12 V. Die Widerstände 20 und 23 wird in dem Schaubild an der Stelle A festgehalten, werden daher entsprechend dem Stromfluß und dem Die in Fig. 2B dargestellte Ausgangsspannung hat Potentialabfall bestimmt. In diesem Fall haben die 65 bis zu diesem Zeitpunkt die gleiche Form wie die in Widerstände20 und 23 Werte von etwa 24kOhm. Fig. 2A gezeigte Eingangsspannung.
Diese Werte gehen natürlich von der Voraussetzung Je positiver die Eingangsspannung wird, um so aus, daß der Innenwiderstand der Dioden 17 und 18 mehr Strom fließt über den Kondensator 25 in die

Schaltung ein in Richtung auf den Transistor 10. Mit zunehmendem Eingangsstrom wird der Stromfluß über den Widerstand 20 geringer. Damit steigt auch das Potential am Verbindungspunkt 19, da der Spannungsabfall am Widerstand 20 geringer wird, bis die Sperrspannung der Diode 18 erreicht wird, Dieser Zustand wird in dem Schaubild am Punkts festgehalten. Von diesem Augenblick an fließt über den Widerstand 23 und den Lastwiderstand 29 ein konstanter Strom, der durch die Summe dieser beiden Widerstände und die Spannung der Potentialquelle 22 bestimmt wird. Die an der Ausgangsklemme 28 abgreifbare Spannung bleibt daher auch bei weiter ansteigender Eingangsspannung konstant. In diesem Zustand fließt der gesamte durch den Widerstand 23 durchtretende Strom von 0,5 mA durch den Kondensator 27 und den Lastwiderstand 29 nach Masse ab. Bei im Vergleich zum Widerstand 23 geringem Lastwiderstand 29 ergibt sich ein Strom von 0,5 mA. Da der Transistor 10 immer noch einen Stromfluß von 1 mA zuläßt, muß dieser Strom durch den durch den Widerstand 20 fließenden Strom und den über die Eingangsklemme 26 einfließenden Strom aufgebracht werden.

Dieser Zustand hält so lange an, wie die Amplitude der Eingangsspannung den zum Sperren der Diode 18 notwendigen Wert übersteigt. Gemäß Fig. 2B dauert dieser Zustand vom ZeitpunktZ? bis zum Zeitpunkt C an.

Im Zeitaugenblick C beginnt die Diode 18 zu leiten, und die an die Eingangsklemme 26 angelegte Spannung wird an der Ausgangsklemme 28 wiedergegeben. Dieser Zustand wird im Schaubild zwischen den Punkten C und D gezeigt.

Bei fehlender Eingangsspannung, d. h. auf der Zeitachse genau zwischen den Punkten C und D, fließt aus der positiven Potentialquelle 22 ein Strom zu gleichen Anteilen über die Widerstände 20 und 23 und durch die Dioden 17 und 18 zum Transistor 10. Die Dioden 17 und 18 sind ja so geschaltet, daß sie von außen nach innen, in Blickrichtung auf Fig. 1, leiten.

Bei stärker negativ werdender Eingangsspannung beginnt die Diode 17 zu sperren. Am oberen Ende des Widerstandes 20 teilt sich der Strom nach links und rechts auf. Bei immer mehr ins Negative abfallender Eingangsspannung fließt immer mehr Strom nach links ab in die Eingangsspannungsquelle. Immer weniger Strom fließt nach rechts durch die Diode 17 zum Transistor 10, da die Diode immer stärker gesperrt wird. Auf Grund seiner Schaltung als Konstant-Stromquelle saugt der Transistor 10 aber eine konstante Strommenge an. Dieser Strom wird nun von dem Lastwiderstand 29 übernommen. Da der Lastwiderstand 29 auf Massepotential liegt und die Transistor-Potentialquelle 16 ein Potential von —35 V hat, fließt der Strom vom Lastwiderstand 29 zur Potentialquelle 16 in Durchlaßrichtung der Diode 18. An dem Lastwiderstand 29 fällt eine Spannung ab, die der Eingangsspannung proportional ist. Je negativer die Spannung an der Eingangsklemme 26 wird, um so mehr Strom fließt von 22, über 20, durch 25, nach 26. Schließlich sperrt die Diode 17 vollständig.

Von diesem Augenblick an wird der Stromfluß durch den Widerstand 23 und den Lastwiderstand 29 nicht weiter von der Eingangsklemme 26 beeinflußt. Im Schaubild ist der Zustand D erreicht. Der Transistor 10 zieht einen konstanten Strom. Da die Widerstände 23 und 29 konstant bleiben, fließt durch sie ein konstanter Strom, und an der Ausgangsklemme 28 wird eine konstante Spannung abgegriffen.

Wenn also die Eingangsspannung bei Auswanderung ins Negative die Sperrspannung der Diode 17 überschritten hat, bleiben die Strom- und Spannungsverhältnisse im rechten Teil der Schaltung bis zum

ίο Zeitpunkt E konstant. Der durch den Transistor 10 fließende Strom von 1 mA setzt sich zu gleichen Teilen aus Strom zusammen, der durch den Widerstand 23 und durch den Lastwiderstand 29 fließt. Auch hier ist der durch den Lastwiderstand fließende Strom 0,5 mA.

Ein wichtiger Vorteil der Schaltung liegt darin, daß sie einen gleichen Ein- und Ausgangsscheinwiderstand besitzt.

Die Ausgangsspannung ist bei positiver wie auch

ao bei negativer Eingangsspannung gleich, wenn der Lastwiderstand 29 voraussetzungsgemäß sehr viel kleiner als der Widerstand 23 ist. Bei einem Transistorstrom von 1 mA fließt im Ruhezustand ein Strom von 0,5 mA durch den Widerstand 23. Bei einer negativen Eingangsspannung, die die Diode 17 sperrt, fließt durch den Lastwiderstand 29 die Ergänzung von 0,5 mA, d. h. derjenige Strom, der sonst durch den Widerstand 20 fließt.

Bei einer positiven Eingangsspannung, die die Diode 18 sperrt, fließt durch den Lastwiderstand 29 derjenige Strom, der durch den Widerstand 23 vorgegeben ist. Dies ist wieder 0,5 mA. Da der Lastwiderstand weitaus kleiner als der Widerstand 23 ist, ist der durch den Widerstand 23 fließende Strom als konstant anzusehen.

Die Voraussetzung für dieses symmetrische Arbeiten der Schaltung ist, daß

1. Last 29 < 20 (23),

2. der Transistor 10 sehr hochohmig ist (Konstant-Stromquelle).

Man kann sich dieses auch so erklären, daß bei gesperrter Diode 17 der Eingangsscheinwiderstand gleich dem Widerstand des Widerstandes 20 ist. Bei gesperrter Diode 18 ergibt sich der Eingangsscheinwiderstand aus der Parallelschaltung des Widerstandes 20 und des Transistors 10 mit dem Widerstand 15. Da der Transistor 10 wegen seiner Schaltung als Konstant-Stromquelle einen Widerstand von mehreren Megohm hat, ist der Eingangsscheinwiderstand bei gesperrter Diode 18 damit praktisch wieder gleich dem Widerstand des Widerstandes 20.

Für den Ausgangsscheinwiderstand gelten die gleichen Verhältnisse. Der Ausgangsscheinwiderstand ist praktisch gleich dem Widerstand des Widerstandes 23. Dabei ist wichtig, daß der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 10 mindestens eine Größenordnung größer als der Widerstand des Widerstandes 20 oder 23 ist.

Die Schaltung ist somit symmetrisch, da der Eingangs- und der Ausgangsscheinwiderstand unabhängig von der Lage der Eingangsspannung während der Sperrzeit gleich ist. Bei der Erzeugung von symmetrischen Rechteckwellen ist dies ein ganz bedeutender Vorzug.

Ein weiterer Vorteil liegt in dem Fehlen von Kapazitäten, die bei Hochfrequenz Verluste hervorrufen könnten.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Impulsen durch Begrenzung der positiven und negativen Halbwellen einer sinusförmigen Eingangsspannung mit zwei halbleitenden Dioden, die zwischen der Eingangsspannungsquelle und dem Lastwiderstand in Reihe geschaltet sind und so gepolt sind, daß die durch sie fließenden Ströme in Richtung auf den Verbindungspunkt zwischen den Dioden fließen, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß ein Transistor(10) vorgesehen ist, der Kollektor (11) des Transistors an den Verbindungspunkt (19) zwischen den Dioden (17, 18) angeschlossen ist, die Basis (12) und der Emitter (13) des Transistors (10) an feste Potentialquellen (14,16) angeschlossen sind, ein erster Kondensator (25) an das freie Ende (21) der Diode (17) angeschlossen ist, ein erster und ein zweiter Widerstand (20, 23) mit im wesentlichen gleichen Widerstandswerten vorgesehen sind, eine dritte feste Potentialquelle (22), der erste Widerstand (20) zwischen dem Verbindungspunkt des Kondensators (25) und der Diode (17) einerseits und der dritten Potentialquelle (22) andererseits geschaltet ist, der zweite Widerstand (23) zwisehen dem freien Pol (24) der zweiten Diode (18) einerseits und der dritten Potentialquelle (22)

andererseits liegt, ein zweiter Kondensator (27) vorgesehen ist, der zwischen dem Pol (24) der zweiten Diode (18) und einem konstanten Lastwiderstand (29) liegt, und dieser Lastwiderstand (29) zwischen einer Bezugspotentialquelle einerseits und dem anderen Ende des zweiten Kondensators (27) andererseits liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (10) vom NPN-Typ ist und der Strom in den beiden Dioden (17, 18) in Richtung auf den Verbindungspunkt (19) fließt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (10) so vorgespannt ist, daß er zwischen Kollektor (11) und Emitter (13) einen konstanten Widerstand hat.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (10) so geschaltet ist, daß der Widerstand seiner Kollektor-Emitter-Strecke mindestens um eine Größenordnung über dem Widerstand der Widerstände (20, 23) liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 873 568.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen