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Flip-Flop-Schaltung mit Speichereigenschaft trotz Ausfalls der Versorgungsspannung
Die Erfindung betrifft Flip-Flop-Schaltungen mit dauernder Speichereigenschaft.
Unter Flip-Flop-Schaltung, häufig auch nur Flip-Flop bezeichnet, versteht man eine
mit zwei steuerbaren Halbleitern, vorzugsweise Transistoren, aufgebaute bistabile
Kippschaltung, die durch aufeinanderfolgende Eingangsimpulse abwechselnd von einem
Schaltzustand in den anderen gekippt wird. Flip-Flops mit dauernder Speichereigenschaft
sind insofern weiterentwickelt, als besondere Vorkehrungen getroffen sind, um sicherzustellen,
daß sich nach einem Ausfall der Versorgungsspannung der gleiche Schaltzustand wie
vorher wieder einstellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Flip-Flop-Speicherschaltung
zu schaffen, die sich zum Aufbau einer Zählkette in weitgehend miniaturisierter
Schaltungstechnik besonders eignet. Dazu ist einerseits eine hohe Kippfrequenz und
Ansprechempfindlichkeit auf extrem kurze Steuerimpulse zu fordern und andererseits
ein kleiner Raumbedarf. Insbesondere bei nachfolgenden Dekodierungsschaltungen wirkt
sich eine zu große Laufzeit der Zählkettenüberträge sehr störend aus. Ein kleines
Einbauvolumen bedingt weiter auch einen kleinen Strombedarf, d. h. geringe Verlustwärmeerzeugung,
denn je kompakter die Schaltungsbausteine angeordnet sind, desto schwieriger ist
die Wärme abzuführen.
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Bei den bekannten Schaltungen dieser Art wird die Speichereigenschaft
stets unter Mitwirkung eines magnetischen Kreises mit Remanenz herbeigeführt. Dieser
magnetische Kreis wird im folgenden einfach als Kern bezeichnet. Seine Größe bzw.
die Anzahl der Kerne pro Flip-Flop bestimmen hauptsächlich das Gesamtvolumen der
Schaltung. Dies gilt insbesondere bei der neueren integrierten Schaltungstechnik,
bei der eine ganze Reihe elektronischer Bauelemente auf kleinen Platinen vereinigt
werden können. Bei Anwendung dieser Technik erfordert der Speicherkern ein Vielfaches
des Bauraumes der übrigen Schaltung. Der Stand der Technik ist daher in erster Linie
daraufhin zu untersuchen, inwiefern die Schaltanordnung den Energieinhalt und damit
die Größe des Kernes bestimmt. Damit hängt auch die obere Begrenzung der Zählfrequenz
meist eng zusammen.
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Bei verschiedenen bekannten Schaltanordnungen wird die Speichereigenschaft
im Prinzip dadurch erreicht, daß das Flip-Flop sich nach der Wiederkehr der Versorgungsspannung
zunächst einmal in eine definierte Anfangsstellung einstellt. Wenn die ursprüngliche
Stellung vor dem Spannungsausfall zufällig mit dieser Anfangsstellung übereinstimmt,
bleibt die Anfangsstellung erhalten. Im anderen Fall wird ein anschließender Kippvorgang
ausgelöst, welcher die ursprüngliche Stellung wieder herbeiführt.
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Zur Erreichung der definierten Anfangsstellung ist es bekannt, zwischen
die Basis des einen der beiden Transistoren und den einen Pol der Versorgungsspannung
eine RC-Reihenschaltung einzufügen. Bei genügend steilem Anstieg der Versorgungsspannung,
welcher nötigenfalls durch besondere Maßnahmen herbeigeführt werden kann, fließt
über das RC-Glied ein Ladestromstoß, der groß genug ist, um das Potential der angeschlossenen
Transistorbasis so weit gegenüber der anderen Transistorbasis anzuheben, daß stets
der vorgenannte Transistor leitend wird.
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Um gegebenenfalls einen anschließenden Kippvorgang auszulösen und
damit die Speichereigenschaft der Schaltung zu verwirklichen, ist gemäß dem deutschen
Patent 1172 723 ein Speicherkern mit drei Wicklungen vorgesehen, von denen
zwei in die Kollektorleitungen eingeschaltet sind, und zwar jeweils zwischen den
Transistor und den zur Basis des anderen Transistors führenden Koppelzweig. Die
dritte Wicklung ist über einen Kondensator und eine in Sperrichtung vorgespannte
Diode zwischen die Basis des bevorzugten Transistors und die Verbindungsleitung
der beiden Emitter eingeschaltet. Hierbei ist jedoch noch eine Programmschaltung
erforderlich, welche während des Wiederaufsuchens der ursprünglichen Schaltstellung
(Voreinstellung) eine kleine Vorspannung an die Diode legt und nach einer bestimmten
Wartezeit diese Vorspannung erhöht (Normalbetrieb). Außerdem ergab sich, daß der
Speicherkern verhältnismäßig groß dimensioniert werden muß, um einen zum Umkippen
ausreichenden Spannungsimpuls an der dritten Wicklung zu erzeugen. Ferner wird bei
dieser Schaltung der Kippvorgang
dadurch verzögert, daß in den
Koppelzweigen selbst jeweils eine Wicklung des Speicherkernes und damit eine Induktivität
liegt. Hierdurch wird die obere Grenzfrequenz herabgesetzt.
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Eine andere bekannte Schaltanordnung (deutsche Auslegeschrift 1164
474), die ebenfalls mit Hilfe einer RC-Reihenschaltung die Anfangsstellung definiert,
enthält als die Speichereigenschaft bewirkendes Element eine Drossel zwischen der
Basis des bevorzugten Transistors und dem Kollektor des anderen Transistors. Durch
diese Drossel wird jedoch die Symmetrie der Schaltung gestört, d. h. die Zeitkonstante
des Umkippvorganges in der einen Richtung im Vergleich zur anderen Richtung stark
erhöht. Ferner muß auch diese Drossel mit vielen Windungen und großem Kern versehen
sein, um insbesondere bei Flip-Flops, welche mit geringen Kollektorströmen, also
mit hohen Arbeitswiderständen arbeiten, ihre Funktion erfüllen zu können. Außerdem
belastet die Drossel die Ausgänge des Flip-Flops, wodurch die äußere Belastbarkeit
verringert wird.
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Eine andere Gruppe von bekannten Schaltungen führt die ursprüngliche
Kipplage sofort und unmittelbar nach der Spannungswiederkehr herbei. Dieser Unterschied
zu den vorgenannten Schaltungen ist jedoch praktisch unbedeutend.
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Gemäß der deutschen Auslegesehrift 1200 357 sind zwei Speicherkerne
mit je drei Wicklungen vorgesehen. Eine Wicklung je Kern wird von einem besonderen
Magnetisierungsstrom gespeist, der eine bestimmte Zeit vor der Versorgungsspannung
ausgeschaltet und andererseits mit der Versorgungsspannung zusammen eingeschaltet
werden muß. Dieser zusätzliche Strom ist von beachtlicher Größenordnung und erfordert
eine spezielle Schalteinrichtung. Letztere arbeitet übrigens nur dann richtig, wenn
der Versorgungsspannungabfall langsam erfolgt. Sie versagt bei unerwartetem Wegbleiben
der Spannung und erfüllt daher nicht die praktischen Anforderungen.
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Eine in der deutschen Auslegeschrift 1202 827 veröffentlichte Schaltung
arbeitet mit einem Haugenerator, der in einem magnetischen Kreis mit Remanenz angeordnet
ist. Hier kommt der Kippvorgang erst nach dem Ummagnetisieren des Magnetkreises
zustande, so daß der Ummagnetiserungsvorgang die Zählfrequenz begrenzt. Die Größe
des Kernes hängt vom bestmöglichen Wirkungsgrad des Hallgenerators ab. Sie überschreitet
jedenfalls die bei Mikroschaltungen vorhandenen Begrenzungen.
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Auch bei der aus der deutschen Auslegeschrift 1138 099 bekannten Schaltung
sind zwei Magnetkerne vorgesehen. Sie haben zwei Wicklungen, von denen je eine den
Kollektorstrom führt. Die Rückkopplungszweige vom Kollektor des einen auf die Basis
des anderen Transistors gehen von der dem Kollektor entgegengesetzten Seite der
Kernwicklung aus. Dadurch wird auch hier die Rückkopplung erst nach der Ummagnetisierung
des Kernes voll wirksam. Das erschwert den Kippvorgang der Schaltung im normalen
Betrieb, d. h. begrenzt die Zählfrequenz. Ferner wirken diese Kerne in erster Linie
auf die Kollektorströme, indem sie je nach ihrer Magnetisierungsrichtung das Anwachsen
dieser Ströme mehr oder weniger behindern. Daher sind größere Kerne notwendig als
bei solchen Schaltungen, bei denen die im Kern induzierte Spannung direkt den Basisstrom
steuert und die somit die Verstärkung der Transistoren ausnutzen. Die Erfindung
entspricht demgegenüber allen in der Praxis zu stellenden Anforderungen. Sie geht
aus von einer Transistor-Flip-Flop-Schaltung mit definierter Anfangsstellung, bei
der eine RC-Reihenschaltung zwischen die Basis eines ersten Transistors und einen
Pol der Versorgungsspannung geschaltet ist und bei der ein Speicherkern mti drei
Wicklungen, von denen zwei in den Kollektorzweigen liegen, vorgesehen ist, welcher
dazu dient, einen anschließenden Kippvorgang auszulösen, falls vor Ausfall der Versorgungsspannung
dieser Transistor nicht leitend war. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß ein
steuerbarer Gleichrichter einerseits an Nullpotential und andererseits über einen
Belastungswiderstand an einen Pol der Versorgungsspannung sowie über ein RC-Glied
an die Basis des ersten Transistors angeschlossen ist und daß seine Steuerelektrode
über eine Diode in Reihe mit der dritten Wicklung des Speicherkerns sowie parallel
dazu über einen Widerstand mit dem Nullpotential verbunden ist.
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Ein steuerbarer Gleichrichter ist ein elektronischer Schalter, der
bei überschreiten der sogenannten Zündspannung an der Steuerelektrode einschaltet,
jedoch dann an der Steuerelektrode nicht mehr beeinflußt werden kann. Zum Ausschalten
muß, beispielsweise durch Herabsetzen der Betriebsspannung, der sogenannte Haltestrom
unterschritten werden. Andere Bezeichnungen für dieses Bauelement sind z. B. Thyristor,
Vierschichtentriode oder Vierschichtentransistor. Bei der erfindungsgemäßen Schaltung
wird der Verstärkungseffekt des steuerbaren Gleichrichters insofern ausgenutzt,
als die dritte Wicklung des Speicherkerns den steuerbaren Gleichrichter beeinflußt
und dieser erst auf das Flip-Flop wirkt. Auf diese Weise kann der Speicherkern selbst
extrem klein gehalten werden. Die Grenze der Zählfrequenz liegt bei etwa 10 MHz.
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Die Tatsache, daß die Durchschaltung des steuerbaren Gleichrichters
irreversibel ist, macht ein Eingreifen in die Flip-Flop-Schaltung mit Hilfe eines
Zeitprogramms überflüssig. Nachdem der Gleichrichter einmal durchgeschaltet ist
und zusammen mit dem Speicherkern geholfen hat, die ursprüngliche Flip-Flop-Stellung
wieder aufzufinden, ruht er und wird erst bei erneutem Ausfall der Versorgungsspannung
wieder wirksam. Der Stromverbrauelf der Schaltung ist gering, da die dritte Wicklung
des Speicherkerns nicht erregt ist. Ebenso entfällt eine spezielle Schalteinrichtung
zur Steuerung dieser Wicklung.
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Sofern das Flip-Flop mit sehr kurzen Impulsen angesteuert wird, kann
es vorkommen, daß bei dieser einfachen Ausführungsform der zweite reguläre Steuerimpuls
unterdrückt wird. Um diese Erscheinung mit Sicherheit zu vermeiden, wird in Weiterbildung
der Erfindung vorgeschlagen, daß die Steuerelektrode über eine weitere Diode und
ein weiteres RC-Glied mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung im
folgenden näher erläutert. F i g. 1 zeigt ein Schaltbild der Erfindung und F i g.
2 die Magnetisierungskennlinie des Speicherkerns.
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Zwei Transistoren T 1 und T 2 sind mit ihren Emitteranschlüssen
an Nullpotential gelegt und mit ihren Kollektoranschlüssen über Arbeitswiderständel
und 2 und über zwei Wicklungen W1 und W2 mit
dem positiven Pol 4
der Versorgungsspannung verbunden. Die beiden Wicklungen W1 und W2 sind auf einen
Speicherkern 3 gegensinnig aufgewickelt. Dieser Speicherkern ist ein Ringkern und
besteht aus einem Material mit rechteckiger Hystereseschleife, wie in F i g. 2 dargestellt.
Die Basen der beiden Transistoren sind über Basiswiderstände 5 und 6 an den negativen
Pol 7 der Versorgungsspannung angeschlossen. Ferner ist die Basis des Transistors
T2 über ein RC-Parallelglied 8 mit dem Kollektor des Transistors T1 und kreuzweise
die Basis des Transistors T1 über ein RC-Parallelglied 9 mit dem Kollektor des Transistors
T2 verbunden. Die Ansteuerung des Flip-Flops erfolgt am Eingang 10, welcher über
einen Kondensator 11 und einen Widerstand 12 mit Nullpotential verbunden ist. An
der Verbindungsleitung zwischen Kondensator und Widerstand sind über Dioden 13 und
14 die Basen der Transistoren angeschlossen. Die Basis des Transistors T1 ist zusätzlich
über eine RC-Reihenschaltung 15 mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung verbunden.
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Die insoweit bekannte Schaltanordnung hat folgende Wirkungsweise:
Es ist stets einer der beiden Transistoren leitend und der andere gesperrt. Angenommen,
T 1 ist leitend und es gelangt ein Rechteckimpuls auf den Eingang 10, so wird dieser
am Kondensator 11 differenziert, so daß ein negativer und ein positiver Nadelimpuls
entstehen. Der negative Impuls gelangt über die Diode 14 an die Basis von T1 und
sperrt diesen. Dadurch wird das Potential am Kollektoranschluß von T1 angehoben,
der Spannungssprung überträgt sich über das RC-Glied 8, auch Koppelzweig genannt,
auf die Basis von T2, so daß nun dieser Transistor leitend wird. Folgt ein weiterer
Steuerimpuls am Eingang 10, so wird in einem umgekehrten regulären Kippvorgang
T 2 gesperrt und T 1 wieder leitend. Da die Wicklungen W1 und W2 entgegengesetzten
Wickelsinn haben, wird der Speicherkern 3 bei jedem Kippvorgang der Schaltung ummagnetisiert.
Die Richtung des remanenten Magnetfeldes ist definiert durch die Schaltstellung,
und zwar befindet sich der Kern in der positiven Remanenzlage 26, wenn Transistor
T 1 leitend ist, und in der negativen Remanenzlage 27 bei leitendem Transistor T2.
Der jeweilige Schaltzustand kann an den Kollektoranschlüssen der Transistoren abgegriffen
werden. Diese bilden daher die Ausgänge 16 und 17 der Schaltung.
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Wird die Versorgungsspannung erstmalig zugeschaltet oder kehrt sie
nach einem Ausfall wieder, so kann sich das Flip-Flop infolge einer Reihe unberechenbarer
Faktoren grundsätzlich in eine beliebige Schaltstellung einstellen. Durch das RC-Glied
15 wird jedoch die Anstiegsflanke der Versorgungsspannung differenziert, so daß
ein positiver Stromstoß auf die Basis des bevorzugten Transistors T1 gelangt. Dadurch
wird erreicht, daß bei der Wiederkehr der Versorgungsspannung in jedem Fall zuerst
T1 leitend wird. Dies ist die sogenannte definierte Anfangsstellung.
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Erfindungsgemäß ist die Schaltanordnung durch die im folgenden geschilderten
Teile erweitert: Ein steuerbarer Gleichrichter 18 ist mit seiner Kathode an Nullpotential,
mit seiner Anode über einen Belastungswiderstand 19 an den positiven Pol der Versorgungsspannung
und über eine RC-Reihen-Schaltung 20 an die Basis des Transistors T1 gelegt. Diese
Reihenschaltung ist so dimensioniert, daß beim Durchschalten des steuerbaren Gleichrichters
das Potential der Basis des Transistors T1 so weit abgesenkt wird, daß dieser sperrt.
Die Steuerelektrode des Gleichrichters 18 weist drei Verbindungen auf, eine erste
über die Diode 21 und eine dritte Wicklung W3 mit Nullpotential, eine zweite über
einen Widerstand 22 mit Nullpotential und eine dritte Verbindung über eine Diode
23 und eine RC-Reihenschaltung 24 mit dem Kollektor des Transistors T 1.
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Ausgehend von der schon beschriebenen definierten Anfangsstellung,
ergeben sich nun zwei Fälle, je nachdem, welchen Schaltzustand das Flip-Flop vor
Ausfall der Versorgungsspannung eingenommen hat. An Hand dieser beiden Fälle wird
im folgenden die Wirkungsweise der eigentlichen Erfindung beschrieben.
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Fall a). Ursprünglich war T2 leitend. Wenn nun bei Wiederkehr der
Versorgungsspannung T1 leitend wird, muß der Speicherkern ummagnetisiert werden.
Dabei wird in der Wicklung W3 entsprechend der Flußänderung von 27 nach 25 eine
positive Spannung induziert, die über die Diode 21 an die Steuerelektrode des Gleichrichters
18 gelangt und diesen schlagartig durchschaltet. Dabei fällt sein Anodenpotential
stark ab. Dieser Spannungssprung wird im RC-Glied 20 differenziert, so daß T 1 durch
einen negativen Basisstromimpuls wieder gesperrt wird. Das Flip-Flop kippt also
kurz nach Erreichen der definierten Anfangsstellung, womit die ursprüngliche Stellung
wiederhergestellt ist. Über das RC-Glied 24 und die Diode 23 gelangt ein positiver
Impuls an die Steuerelektrode. Dieser Impuls bleibt jedoch wirkungslos, da der Gleichrichter
18 bereits leitend ist.
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Wird nun auf den Eingang 10 ein Steuerimpuls gegeben, so kippt das
Flip-Flop in üblicher Weise wieder in den Zustand mit leitendem Transistor T l.
Die hierbei in der Wicklung W3 induzierte Spannung bleibt ebenfalls ohne Einfluß
auf den Gleichrichter, da dieser bereits leitend ist und so lange leitend bleibt,
bis die Versorgungsspannung wieder abgeschaltet wird oder ausfällt.
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Fall b). Ursprünglich war T 1 leitend: Wenn in diesem Fall nach Wiederkehr
der Versorgungsspannung T 1 leitend wird, so braucht der Speicherkern nicht ummagnetisiert
zu werden, denn der Fluß ändert sich nur von 26 nach 25 (F i g. 2). Dementsprechend
wird in der Wicklung W3 nur eine sehr geringe positive Spannung induziert, die zum
Durchschalten des Gleichrichters 18 nicht ausreicht.
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Das Flip-Flop bleibt also in der definierten Anfangsstellung, womit
auch für diesen Fall der ursprüngliche Zustand wiederhergestellt ist. Der gesteuerte
Gleichrichter 18 bleibt noch gesperrt.
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Kommt nun ein neuer Impuls auf den Eingang 10, so wird wieder
T 2 leitend und T 1 gesperrt. Hierbei entsteht ein positiver Spannungssprung
am Kollektor von T l. über das RC-Glied 24 und die Diode 23 wird jetzt der Gleichrichter
18 durchgeschaltet, und es gelangt ein negativer Stromstoß auf die Basis von T l.
Dieser Stoß bleibt jedoch wirkungslos, da T 1
bereits gesperrt ist.
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Wäre der Koppelzweig 23, 24 nicht vorhanden, so würde beim zweiten
Steuerimpuls nach der Spannungswiederkehr durch die in W3 induzierte Spannung der
in diesem Fall noch nicht leitende Gleichrichter durchgeschaltet und das Flip-Flop
über die
RC-Reihenschaltung 20 noch einmal gekippt. Dies bedeutet
aber, daß dieser zweite Steuerimpuls unterschlagen würde.
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Es gibt jedoch auch Flip-Flops, bei denen die Transistoren einzeln
durch Gleichspannungen oder Rechteckimpulse angesteuert werden. Hier wird der Koppelzweig
23, 24 entbehrlich, wenn bei leitendem Transistor T1 dessen Basispotential mit Hilfe
der Steueranordnung so hoch gehalten wird, daß der beim Durchschalten des Gleichrichters
18 über RC-Glied 20 auf die Basis gelangende negative Stromstoß den Transistor
T1 mit Sicherheit nicht sperren kann.