DE1244847B - Freischwingender Multivibrator - Google Patents

Description

DEUTSCHES WfTWl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 al - 36/02

Nummer: 1244 847

Aktenzeichen: R 36645 VIII a/21 al

1 244 847 Anmeldetag: 25.November 1963

Auslegetag: 20. Juli 1967

Die Erfindung betrifft einen freischwingenden Multivibrator mit zwei jeweils Emitter, Basis und Kollektor enthaltenden Transistoren, deren Emitter an Bezugsspannung liegen und deren Kollektoren über je einen Arbeitswiderstand mit einer Betriebsspannungsquelle, über zwei mit entgegengesetzter Polung in Reihe geschaltete Dioden miteinander und über je einen Kondensator mit der Basis des jeweils anderen Transistors gekoppelt sind, und mit einer Schaltungsanordnung zur Veränderung der Schwingungsfrequenz, welche einen Widerstandsspannungsteiler mit veränderlichem Abgriff und einen dritten Transistor mit Emitter, Basis und Kollektor enthält, dessen Emitter über je einen Widerstand mit den Basen der ersten beiden Transistoren und über einen dritten Widerstand mit Bezugspotential verbunden ist.

Es ist bereits ein freischwingender Multivibrator bekannt, der zwei PNP-Transistoren enthält, deren Kollektorelektroden in üblicher Weise kapazitiv mit der Basiselektrode des jeweils anderen Transistors gekoppelt sind. An die Kollektorelektroden ist außerdem jeweils die Kathode einer Diode angeschlossen, deren Anoden miteinander und mit jeweils einer Klemme zweier getrennter Basiswiderstände für die Transistoren verbunden sind. Es ist ferner bekannt, die Frequenz eines solchen astabilen Multivibrators in Abhängigkeit des Verhältnisses einer Sollspannung von einer Istspannung zu beeinflussen. Hierzu wird eine Belegung des Kondensators eines i?C-Gliedes an die gesteuerte Elektrodenstrecke eines weiteren Transistors angeschaltet, dessen Steuerelektrode über einen Spannungsteiler in die Abweichung der Sollspannung von der Istspannung kennzeichnende Steuerspannung zugeführt wird (deutsche Auslegeschrift 1 139 876).

Es ist außerdem aus der deutschen Auslegeschrift 1144761 bekannt, die Basiswiderstände eines astabilen Multivibrators, die zu einem Verbindungspunkt zweier zwischen die Kollektorelektroden der Transistoren geschalteten Dioden führen, so zu bemessen, daß der jeweils leitende Transistor durch den über seinen Basiswiderstand fließenden Strom im geöffneten Zustand gehalten wird.

Transistoren der oben angegebenen Art schwingen zwar selbsttätig an, ihre Frequenz läßt sich jedoch nur in einem verhältnismäßig kleinen Bereich ändern, da zur Frequenzänderung nur eine etwa der Hälfte der Betriebsspannung des Multivibrators entsprechende Spannung zur Verfügung steht. Viele bekannte Multivibratorschaltungen haben außerdem den Nachteil, daß für ihre Bestückung Transistoren Freischwingender Multivibrator

Anmelder:

Radio Corporation of America,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:
Lee Vern Hedlund,
Riverton, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. Dezember 1962 (245 761)

mit hoher Stromverstärkung (Kollektorstrom—Basisstrom) benötigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden und einen freischwingenden Multivibrator anzugeben, dessen Frequenz in einem außergewöhnlich weiten Bereich geändert werden kann und der auch bei Verwendung von Transistoren mit geringer Stromverstärkung einwandfrei anschwingt und arbeitet.

Diese Aufgabe wird bei einem freischwingenden Multivibrator der eingangs angegebenen Art gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Widerstandsspannungsteiler zwischen den Verbindungspunkt der Dioden und das Bezugspotential geschaltet ist und sein Abgriff mit der Basis des dritten Transistors gekoppelt ist.

Vorzugsweise ist der Widerstandswert des Spannungsteiler wesentlich größer als der Widerstandswert des Arbeitswiderstandes der ersten beiden Transistoren.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kollektorelektrode des dritten Transistors direkt mit der Betriebsspannungsquelle verbunden.

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung näher erläutert werden, deren einzige Figur ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel enthält einen PNP-Flächentransistor 10, dessen Emitter an ein Be-

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zugspotential, ζ. Β. Masse, und dessen Kollektor über Widerstände 11,12 an eine negative Klemme 13 einer Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, die beispielsweise 20 Volt liefert. Der Emitter eines zweiten PNP-Flächentransistors 14 ist ebenfalls an das Bezugspotential angeschlossen, der Kollektor dieses Transistors ist über Widerstände 15, 16 mit der negativen Klemme 13 verbunden. Zwischen die Basis des Transistors 10 und den Verbindungspunkt der Widerstände 15,16 ist ein Kondensator 17 geschaltet. Ein zweiter Kondensator 18 liegt zwischen der Basis des Transistors 14 und dem Verbindungspunkt der Widerstände 11,12. Die Basis des Transistors 10 ist über Widerstände 19,20 mit der Basis des Transistors 14 verbunden.

An den Kollektor des Transistors 10 ist die Kathode eines nur in einer Richtung Strom durchlassenden Bauelements (Richtleiter) 21, z. B. einer Kristalldiode, angeschlossen. Mit dem Kollektor des Transistors 14 ist die Kathode eines zweiten Richtleiters 22 verbunden, der ebenfalls als Kristalldiode dargestellt ist. Die Anoden der Dioden 21,22 sind miteinander und über Widerstände 23,24 mit dem Bezugspotential verbunden. Die Summe der Widerstandswerte der Widerstände 23,24 ist viel größer als die Summe der Werte der Widerstände 11,12 oder der Widerstände 15,16.

Der Widerstand 23 ist mit einem verstellbaren Abgriff oder Schleifer 27 versehen, welcher an die Basis eines dritten PNP-Flächentransistors 25 angeschlossen ist. Der Kollektor dieses Transistors ist mit der negativen Klemme 13 verbunden, der Emitter des Transistors 25 ist an den Verbindungspunkt der Widerstände 19,20 angeschlossen. Ein Widerstand 26, der den Stromflußpegel des Transistors 25 bestimmt, ist zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände 19,20 und das Bezugspotential geschaltet. Zur Abnahme einer Rechteckschwingung ist bei der dargestellten Ausführungsform eine Ausgangsschaltung in Form von zwei Ausgangsklemmen 34,35 an den Kollektor des Transistors 14 bzw. Masse angeschlossen. In der Praxis kann die Rechteckspannung in an sich bekannter Weise von einer beliebigen Elektrode des Transistors 10 oder 14 abgenommen werden. Bei der Beschreibung der Arbeitsweise des beschriebenen Multivibrators soll angenommen werden, daß die Schaltungsanordnung zuerst stromlos ist und dann an die Betriebsspannung gelegt wird. Dabei ist es möglich, daß beide Transistoren 10,14 gleichzeitig zu leiten und den Sättigungszustand zu erreichen versuchen. Unter diesen Umständen nähert sich das Potential des Punktes 31 an der Verbindung der Diode 21 und des Kollektors des Transistors 10 und am Punkt 30 an der Verbindung der Diode 22 und dem Kollektor des Transistors 14 dem Massepotential, d. h., es wird positiver, und die beiden Dioden 21,22 werden gesperrt. Die Emitterspannung des Transistors 25 am Schaltungspunkt 33 wird dementsprechend positiver, so daß der Basissteuerstrom zu den Transistoren 10,14 sinkt. Die Transistoren 10,14 werden dadurch beide in Sperrichtung ausgesteuert. Es ist daher unmöglich, daß die beiden Transistoren 10,14 gleichzeitig die Sättigung erreichen, wodurch der Multivibrator am Anschwingen gehindert würde.

Nimmt man für den Augenblick an, daß die Transistoren 10,14 infolge der oben beschriebenen Vorgänge beide praktisch gesperrt worden sind, so wird

nun infolge der immer vorhandenen Unterschiede der Transistorkennlinien und der Unsymmetrien der Schaltparameter des Multivibrators einer der Transistoren 10,14 schneller wieder zu leiten beginnen als der andere. Angenommen, der Transistor 14 beginne zuerst zu leiten. Der Punkt 30 wird dann weniger negativ als der Punkt 31, so daß die Kathode der Diode 22 positiv bezüglich der Anode vorgespannt ist und die Diode 22 im gesperrten Zustand

ίο gehalten wird. Gleichzeitig wird die Kathode der Diode 21 bezüglich der Anode negativ vorgespannt, und die Diode 21 leitet. Da der Widerstand des Spannungsteilers 23,24 beträchtlich größer ist als der Widerstand der Widerstände 11,12 oder der Widerstände 15,16, erscheint praktisch die ganze Betriebsspannung am Punkt 32. Der Transistor 25 führt einen Strom, dessen Wert durch die Einstellung des Schleifers 27 und den Wert des Widerstandes 26 bestimmt wird, mit dem Ergebnis, daß am Punkt 33, der mit

ao dem Emitter des Transistors 25 verbunden ist, eine negative Spannung auftritt.

Da der Transistor 25 als Emitterverstärker geschaltet ist, hat die Spannung am Punkt 33 dieselbe Polarität wie die Basisspannung des Transistors 25, und ihre Größe ist durch die Einstellung des Schleifers 27 bestimmt. Der Transistor 14 erhält über den Basiswiderstand 20 einen Basissteuerstrom. Wenn sich der Transistor 14 der Sättigung nähert, wird der Verbindungspunkt der Widerstände 15,16 weniger negativ. Durch den Kondensator 17 erhält die Basis des Transistors 10 dabei eine Vorspannung, die die Emitter-Basis-Diode des Transistors 10 in zunehmendem Maße in Sperrichtung beaufschlagt. Der Transistor 10 wird dadurch im gesperrten Zustand gehalten. Der Verbindungspunkt der Widerstände 11, 12 wird negativer, so daß der Basis des Transistors 14 über den Kondensator 18 eine negative Vorspannung zugeführt wird, die dazu beiträgt, den Transistor 14 im leitenden Zustand zu halten. Der Transistor 14 leitet also nun, und der Transistor 10 ist gesperrt. Das Ausgangssignal an den Klemmen 34,35 ändert sich dabei zuerst in positiver Richtung und bleibt dann auf einem Wert konstant, der durch die Stromleitfähigkeit des Transistors 14 und die zugeordneten Schaltungsparameter bestimmt wird.

Die oben nacheinander beschriebenen Vorgänge kufen in der Wirklichkeit natürlich praktisch momentan ab. Unmittelbar nach Anschalten der Betriebsspannung an den Multivibrator wird einer der Transistoren 10,14 leitend und der andere gesperrt. Die Dioden 21,22 gewährleisten, daß nur einer der Transistoren 10,14 leitend werden kann.

Bei der Erläuterung des Anschwingens des Multivibrators war angenommen worden, daß zuerst der Transistor 14 leitet und der TransistorlO gesperrt ist. Während der Transistor 14 leitend wird und die zunehmend positiver werdende Spannung über den Kondensator 17 auf die Basis des Transistors 10 gekoppelt wird und diese in Sperrichtung vorspannt, wird der Kondensator 17 positiv bezüglich der Basis des Transistors 10 aufgeladen. Das Auftasten des Transistors 14 geht so schnell vor sich, daß sich der Kondensator 17 dabei nicht entladen kann. Wenn der Transistor 14 voll leitet, bleiben sein Kollektorstrom und seine Kollektorspannung konstant. Der Kondensator 17 entlädt sich nun über einen Stromkreis, der den Basiswiderstand 19 und den Verbindungspunkt 33 umfaßt. Die Entladegeschwindigkeit ist der negati-

ven Spannung am Punkt 33 und damit der Einstellung des Schleifers 27 direkt proportional. Im Laufe der Entladung des Kondensators 17 nimmt die Sperrspannung an der Basis des Transistors 10 ab; die Basisvorspannung geht schließlich durch Null und wird negativ. Die Emitterspannung des Transistors 10 wird bezüglich der Basisspannung positiv, und der Emitter wird hinsichtlich der Basis in Flußrichtung vorgespannt, so daß der Transistor 10 leitet.

Wenn der Kollektorsirom des Transistors 10 zunimmt, wird die Kollektorspannung positiver. Diese Spannungsänderung wird über den Kondensator 18 auf die Basiselektrode des Transistors 14 gekoppelt. Die Basis des Transistors 14 wird dabei positiver, und der Stromfluß im Transistor 14 nimmt ab. Die Spannung am Verbindungspunkt der Widerstände 15, 16 wird dabei negativer, und diese Spannungsänderung wird über den Kondensator 17 auf die Basis des Transistors 10 gekoppelt, wodurch die Emitter-Basis-Diode des Transistors 10 zusätzlich in Flußrichtung vorgespannt wird. Der Kollektorstrom des Transistors 10 nimmt dadurch weiter zu. Diese Vorgänge setzen sich sehr rasch so lange fort, bis der Transistor 10 leitet bzw. gesättigt ist und der Transistor 14 gesperrt ist. Der Schaltungspunkt 30 wird bezüglich des Schaltungspunktes 31 negativ, so daß die Diode 21 gesperrt und die Diode 22 leitend wird. Am Punkt 32 erscheint also wieder eine negative Spannung, die praktisch gleich der vollen Betriebsspannung ist, und am Emitter des Transistors 25 bzw. am Schaltungspunkt 33 erscheint dann eine negative Spannung, deren Wert durch die Einstellung des Schleifers 27 bestimmt wird. Die Vorgänge beim Wechsel der Betriebszustände der Transistoren 10,14 laufen sehr schnell ab. Das Ausgangssignal an den Klemmen 34,35 wird dabei zuerst negativer und bleibt dann auf einem Pegel konstant, der durch die an der Klemme 13 liegende Spannung und die Schaltungsparameter bestimmt wird.

Der Transistor 14 bleibt gesperrt, und der Transistor 10 bleibt leitend, bis sich der Kondensator 18 über einen den Basiswiderstand 20 und den Schaltungspunkt 33 enthaltenden Stromkreis so weit entladen hat. daß die Basis des Transistors 14 in Flußrichtung vorgespannt wird. Die Entladegeschwindigkeit ist wieder dem Wert der negativen Spannung am Schaltungspunkt 33 und damit der Einstellung des Schleifers 27 direkt proportional. Der Transistor 14 beginnt dann wieder zu leiten, und während sein Kollektorstrom ansteigt, wird seine Kollektorspannung positiver. Diese Spannungsänderung wird vom Verbindungspunkt der Widerstände 15,16 über den Kondensator 17 auf die Basis des Transistors 10 gekoppelt, macht diese noch positiver und verringert den Strom fluß im Transistor 10 weiter. Die ins Negative gehende Spannungsänderung am Kollektor des Transistors 10, die dadurch hervorgerufen wird, wird über den Kondensator 18 auf die Basis des Transistors 14 gekoppelt und läßt den Kollektorstrom dieses Transistors weiter anwachsen. Dies setzt sich sehr rasch so lange fort, bis der Transistor 14 gesättigt und der Transistor 10 gesperrt ist. Die Diode 21 wird leitend und die Diode 22 gesperrt. Das an den Klemmen 34,35 liegende Ausgangssignal wird dabei zuerst positiver und bleibt dann konstant, solange der Transistor 14 leitet. Der Transistor 14 bleibt leitend, und der Transistor 10 bleibt gesperrt, bis sich der Kondensator 17 über den den Basis-

widerstand 19 und den Schaltungspunkt 33 enthaltenden Entladungsweg wieder so weit entladen hat. daß der Transistor 10 anfängt zu leiten. Der Zyklus wiederholt sich dann in der oben beschriebenen Weise.

Die Betriebsfrequenz des Multivibrators wird durch die Werte der Kondensatoren 17,18, der Widerstände 19,20, der Spannungen am Punkt 33 und dem Verbindungspunkt der Widerstände 11,12

ίο und der Widerstände 15.16 bestimmt. Wenn sich der Schleifer 27 am obersten Ende des Widerstandes 23 befindet, liegt am Punkt 33 die höchste negative Spannung, die durch den die Widerstände 23.24 und die Widerstände 11,12 oder 15,16 gebildeten Spannungsteiler geliefert werden kann, die Multivibratorfrequenz liegt dann an der oberen Grenze des Abstimmbereiches. Die in diesem Fall am Punkt 33 liegende maximale negative Spannung bewirkt nämlich die schnellstmögliche Entladung der Kondensatoren 17,18. Wenn sich der Schleifer 27 ganz am unteren Ende des Widerstandes 23 befindet, liegt am Punkt 33 die kleinste negative Spannung, die der Spannungsteiler 23,24 und die Widerstände 11,12 oder 15, 16 liefern können, und die Kondensatoren 17, 18 entladen sich dementsprechend langsamer. Die Arbeitsfrequenz des Multivibrators liegt dann an der unteren Grenze des Abstimmbereiches.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist ein Schaltungspunkt, nämlich der Punkt 32, vorhanden, an dem praktisch der volle Wert der Betriebsspannung des Multivibrators zur Speisung des frequenzbestimmenden Steuerkreises zur Verfügung steht. Im Gegensatz dazu erfolgt die Abstimmung der bekannten freischwingenden Multivibratoren, die selbst anschwingen, mittels einer Versorgungsspannung, die weniger als die Hälfte der Betriebsspannung des Multivibrators betrug. Durch die vorliegende Erfindung kann der Steuerkreis mit einer wesentlich höheren Spannung versorgt werden, ohne daß dabei das Anschwingen des Multivibrators in Frage gestellt wird. Durch die Vergrößerung des Bereiches, in dem die Versorgungsspannung für den frequenzbestimmenden Steuerkreis des Multivibrators verstellt werden kann, ergibt sich ein entsprechend größerer Frequenzbereich, in dem der Multivibrator abgestimmt werden kann.

Ein freischwingender Multivibrator muß eine verstärkende Rückkopplungsschleife enthalten. Um die nötige Verstärkung zu gewährleisten, mußten wegen des niedrigen Basistreiberstroms, der für die bekannten* freischwingenden Multivibratoren typisch ist. Transistoren mit hohem Beta-Wert verwendet werden (Beta ist dabei als der Quotient von Kollektorstrom zu Basisstrom definiert). Transistoren mit hohem Beta-Wert sind jedoch verhältnismäßig teuer und auch aus anderen Gründen für praktische Schaltungen nicht zweckmäßig.

Bei dem freischwingenden Multivibrator gemäß der Erfindung wird dieser Nachteil durch die Verwendung des Emitterverstärkertransistors 25 beseitigt. Der Transistor 25 bewirkt eine Stromverstärkung, so daß ein entsprechend erhöhter Basistreiberstrom für die Transistoren 10,14 zur Verfügung steht. Infolge des erhöhten Basisstromes können zur Erzeugung eines gewünschten Kollektorstromes Transistoren mit entsprechend niedrigerem Beta-Wert verwendet werden. Durch geeignete Bemessung des Widerstandswertes des Emitterwiderstandes 26 in

Claims (3)

Verbindung mit den anderen Schaltungsparametern liefert der Transistor 25 eine Stromverstärkung und eine niedrige Steuerimpedanz für die beiden Basiswiderstände 19,20. Auch bei Verwendung von Transistoren 10,14 mit niedrigem Beta-Wert ist daher ein einwandfreies Arbeiten des Multivibrators gewährleistet. Es wurde erwähnt, daß der Widerstand 26 so zu bemessen ist, daß der Emitter des Transistors 25 auf dem richtigen Gleichstrompegel arbeitet. In der Praxis kann der Widerstand 26 vollständig entfallen, wenn die Basiswiderstände 19,20 einen ausreichenden Stromfluß für einen gewünschten Strompegel im Transistor 25 zulassen. Patentansprüche:

1. Freischwingender Multivibrator mit zwei jeweils Emitter, Basis und Kollektor enthaltenden Transistoren, deren Emitter an Bezugsspannung liegen und deren Kollektoren über je einen Arbeitswiderstand mit einer Betriebsspannungsquelle, über zwei mit entgegengesetzter Polung in Reihe geschaltete Dioden miteinander und über je einen Kondensator mit der Basis des jeweils anderen Transistors gekoppelt sind, und mit einer Schaltungsanordnung zur Veränderung der Schwingungsfrequenz, welche einen Widerstands-

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spannungsteiler mit veränderlichem Abgriff und einen dritten Transistor mit Emitter, Basis und Kollektor enthält, dessen Emitter über je einen Widerstand mit den Basen der ersten beiden Transistoren und über einen dritten Widerstand mit Bezugspotential verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsspannungsteiler (23,24) zwischen den Verbindungspunkt (32) der Dioden (21,22) und das Bezugspotential geschaltet ist und sein Abgriff (27) mit der Basis des dritten Transistors (25) gekoppelt ist.

2. Multivibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Spannungsteilers (23,24) wesentlich größer als der Widerstandswert des Arbeitswiderstandes (11,12 bzw. 15,16) der ersten beiden Transistoren (10, 14) ist.

3. Multivibrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrode des dritten Transistors (25) direkt mit der Betriebsspannungsquelle (13) verbunden ist.

25 In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 139 876,
1144761.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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