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Zeitschaltung zur Erzeugung eines Spannungssprunges nach einer auf
einen auslösenden Schaltvorgang folgenden definierten Zeitspanne Mit der deutschen
Auslegeschrift 1045 456 war eine Zeitschaltung zur Erzeugung eines Spannungssprunges,
der nach einer definierten Zeitspanne auf einen Schaltvorgang folgt, vorgeschlagen
worden, in der an die Abgriffe eines ohmschen Spannungsteilers und eines RC-Gliedes,
die beide an eine Spannungsquelle geschaltet werden, die Steuerelektrode und eine
Hauptelektrode eines Transistors angeschlossen sind, an dessen anderer Hauptelektrode
ein Widerstand angeschlossen ist, an dem der zeitlich versetzte Spannungssprung
abnehmbar ist. Der ohmsche Spannungsteiler und das RC-Glied sind dabei so bemessen,
daß die Potentialdifferenz zwischen den beiden Abgriffen erst nach der gewünschten
Zeitspanne einen Wert erreicht, welcher den Transistor durchlässig macht und damit
an dem genannten Widerstand den Spannungssprung entstehen läßt.
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Der Zeitschaltung liegt also das Prinzip zugrunde, die Potentialdifferenz
zwischen den Abgriffen zweier Spannungsteiler mit unterschiedlicher Zeitkonstante,
die beide an eine Speisespannungsquelle geschaltet werden, zur Steuerung eines bei
einem bestimmten Schwellwert ansprechenden Schalters, beispielsweise eines Transistors,
zu verwenden, um nach einer gewünschten Zeitspanne diesen Schalter leitend zu machen
und damit an einem angeschlossenen Widerstand einen Spannungssprung zu erzeugen.
Die gewünschte Zeitspanne ist dabei um so weniger von der Speisespannung abhängig,
je kleiner die Ansprechspannung des als Schalter verwendeten Transistors im Vergleich
mit der Speisespannung ist.
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Wie in der deutschen Auslegeschrift 1045 456 angegeben ist, kann die
Zeitschaltung zweckmäßig zur Steuerung von mit Verstärkerelementen aufgebauten Kippschaltungen
verwendet werden, wodurch deren Frequenz und Impulsdauer von den Eigenschaften der
Verstärkerelemente und von der Betriebsspannung weitgehend unabhängig werden.
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Die Erfindung bezweckt nun in dieser Hinsicht eine aufwandsparende
Verbesserung und besteht darin, nicht eine zusätzliche Kippschaltung mit Hilfe einer
oder zweier Zeitschaltungen zu steuern, sondern vielmehr die Zeitschaltung zum Aufbau
einer Kippschaltung selbst mitzuverwenden, indem der durch die Zeitschaltung erzeugte
Spannungssprung zur Steuerung eines Verstärkerelementes, beispielsweise eines Transistors,
verwendet wird, durch dessen jeweiligen Zustand wiederum das Steuerpotential des
in der Zeitschaltung als Schalter verwendeten Transistors beeinflußt wird.
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Zu diesem Zweck wird die Zeitschaltung dadurch zu einer Kippschaltung
ergänzt, daß der zwischen dem Kollektor des Transistors der Zeitschaltung und dem
Verbindungspunkt des durch einen ohmschen Spannungsteiler gebildeten einen Spannungsteilers
und des durch ein RC-Glied gebildeten anderen Spannungsteilers liegende Widerstand
durch die Basis-Emitter-Strecke eines zweiten Transistors gebildet wird, dessen
Basis und Kollektor über je einen Widerstand an die Speisespannungsquelle angeschlossen
sind. Man erhält somit eine astabile Kippschaltung, in welcher die das Impulsverhältnis
und die Frequenz unabhängig von der Betriebsspannung und den Eigenschaften der Verstärkerelemente
bestimmende vorgeschlagene Zeitschaltung bereits enthalten ist.
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Diese normalerweise astabile Kippschaltung kann zu einer monostabilen
Kippschaltung werden, wenn man Mittel vorsieht, die ein Übergehen des Transistors
der Zeitschaltung von dem einen in den anderen Zustand verhindern, wenn nicht ein
besonderer Auslöseimpuls der Kippschaltung zugeführt wird. Da in einer solchen monostabilen
Kippschaltung die vorgeschlagene Zeitschaltung ebenfalls bereits enthalten ist,
ist die Umlaufzeit für das Kippen von stabilen in den anderen Zustand und zurück
unabhängig von der Betriebsspannung und den Eigenschaften der Verstärkerelemente.
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Die erfindungsgemäße astabile Kippschaltung kann ihrerseits beim Aufbau
eines astabilen Multivibrators angewendet werden, der eine Verbesserung eines mit
der obengenannten Erfindung vorgeschlagenen astabilen Multivibrators darstellt.
Er besteht aus zwei der erfindungsgemäßen Kippschaltungen, die Rückkopplungswege
besitzen, welche jeweils die Ausgangselektrode des Verstärkerelementes der einen
Kippschaltung mit der Steuerelektrode des Verstärkerelementes der anderen Kippschaltung
verbinden.
Dieser Multivibrator läßt sich auch als ein normaler,
mit zwei Verstärkerelementen aufgebauter Multivibrator, der durch zwei Zeitschaltungen
der genannten Art gesteuert wird, auffassen. Durch seinen besonderen Aufbau hat
dieser Multivibrator jedoch gegenüber dem vorgeschlagenen und in der genannten Auslegeschrift
beschriebenen, ebenfalls durch zwei Zeitschaltungen gesteuerten astabilen Multivibrator
den Vorteil, daß eine Vorspannungsquelle für die Steuerelektroden der Verstärkerelemente
sowie besondere Kopplungskondensatoren zwischen den Zeitschaltungen und den Verstärkerelementen
überflüssig sind.
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F i g. 1 zeigt zunächst die Zeitschaltung gemäß der deutschen Auslegeschrift
1045 456.
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Die Anwendung dieser Zeitschaltung in einer erfindungsgemäßen astabilen
Kippschaltung zeigt F i g. 2. Die F i g. 3 bis 7 dienen zur Erläuterung der Funktion
der Kippschaltung gemäß F i g. 2.
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Eine astabile Kippschaltung, die eine etwas anders aufgebaute Zeitschaltung
enthält, ist in F i g. 8 dargestellt, während in F i g. 9 die Anwendung der Zeitschaltung
in einer erfindungsgemäßen monostabilen Kippschaltung gezeigt wird.
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In F i g. 10 schließlich ist ein aus zwei erfindungsgemäßen astabilen
Kippschaltungen aufgebauter Multivibrator dargestellt.
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Zum Aufbau einer astabilen Kippschaltung gemäß F i g. 2 wird in der
Zeitschaltung nach F i g. 1 der zwischen dem Kollektor des Transistors Z der Zeitschaltung
und dem Verbindungspunkt e des ohmschen Spannungsteilers R 2, R 3 und des RC-Gliedes
R l, C 1 liegende Widerstand durch die Basis-Emitter-Strecke eines zweiten
Transistors K ersetzt. Der Kollektor und die Basis dieses Transistors sind über
zwei Widerstände R 4 und R 5 an den Minuspol der Speisespannungsquelle angeschlossen.
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Man erhält auf diese Weise eine Kippschaltung, die folgendermaßen
arbeitet. Beim Schließen des Schalters S fließt zunächst ein Strom über den Spannungsteiler
R 2, R 3, die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors K und den Widerstand R 4.
Der Transistor K ist also zunächst im leitenden Zustand, während der Transistor
Z vorerst gesperrt bleibt. Der Kondensator C 1 lädt sich nun in der in der deutschen
Auslegeschrift 1045 456 beschriebenen Weise so lange auf, bis das Potential des
Punktes a das am Punkt b durch den Strom des Transistors K erzeugte Potential übersteigt.
In diesem Augenblick wird der Transistor Z durchlässig. Dadurch wird aber das Basispotential
des Transistors K positiver als dessen Emitterpotential, so daß der Transistor K
in den Sperrzustand gelangt. Der KondensatorC1 beginnt sich nun über die Emitter-Basis-Strecke
des Transistors Z und dem Widerstand R 3 zu entladen, wobei die Entladung geringfügig
durch die parallel zur Emitter-Basis-Strecke liegende Serienschaltung der Widerstände
R1 und R2 unterstützt wird. Die Kondensatorspannung und damit auch der Basisstrom
des Transistors Z sinken exponentiell mit der Zeit ab, bis sie nicht mehr ausreichen,
um den Transistor Z im leitenden Zustand zu halten. Die Spannung U" zwischen Emitter
und Kollektor des Transistors Z nimmt dabei sehr rasch zu. Dies hat zur Folge, daß
auch der Basisstrom des Transistors K anwächst, wodurch schließlich der Transistor
K voll durchlässig und der Transistor Z ruckartig gesperrt wird. Damit ist der Ausgangszustand
dieser Betrachtung wieder erreicht. Die geschilderten Vorgänge wiederholen sich
jetzt periodisch.
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Wie im vorstehenden ausgeführt wurde, tritt jedesmal ein ruckartiges
Umkippen der Schaltung von ihrem einen in den anderen Zustand ein, wie dies auch
bei den in der üblichen Weise geschalteten astabilen Multivibratoren der Fall ist.
Bei der erfindungsgemäßen Kippschaltung sind jedoch die Frequenz und die relative
Dauer der beiden Kippzustände weitestgehend unabhängig von der Speisespannung Ub
und den Daten der Transistoren. Sie hängen praktisch allein von der Größe der Widerstände
R 1, R 2, R 3 und dem Kondensator C 1 ab, während der Einfluß der Transistordaten
nur sehr gering ist.
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Zur Erläuterung.der Funktion der Kippschaltung gemäß F i g. 2 dienen
auch die F i g. 3 bis 7. In F i g. 3 ist mit U" die Spannung am Kondensator C1 dargestellt.
F i g. 4 zeigt das Basispotential Ub, des Transistors Z, dessen Emitter-Kollektor-Spannung
U", in F i g. 5 dargestellt ist. In F i g. 6 ist die Emitter-Kollektor-Spannung
des Transistors K dargestellt, während aus F i g. 7 der Spannungsverlauf am Widerstand
R 4 ersichtlich wird.
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Die in der astabilen Kippschaltung enthaltene Zeitschaltung kann auch
in der Weise ausgeführt werden, daß gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach F i g.
2 die Reihenfolge von Widerstand und Kondensator des RC-Gliedes sowie der Basis-
und und der Emitteranschluß des Transistors Z jeweils vertauscht werden. Dies ist
in F i g. 8 dargestellt. An der Funktionsweise der astabilen Kippschaltung ändert
sich dabei nichts.
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Eine monostabile Arbeitsweise der normalerweise astabilen Kippschaltung
nach F i g. 2 oder 8 erreicht man dadurch, daß man für den Transistor Z einen besonderen
Basisstromkreis vorsieht, der sich in dem Augenblick schließt, in dem der Transistor
Z sonst in den Sperrzustand gelangen würde.
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Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen monostabilen Kippschaltung
zeigt die F i g. 9. An den Abgriff des RC-Gliedes R 1, C 1 ist die Anode einer Diode
D angeschlossen, deren Kathode mit dem Abgriff eines an der Speisespannung
UB liegenden ohmschen Spannungsteilers R 6, R 7 verbunden ist. Das Teilerverhältnis
ist dabei so gewählt, daß die Teilspannung am Widerstand R 6 nicht kleiner ist als
die Summe der Spannungsabfälle am Widerstand R 2, an der Emitter-Basis-Strecke des
Transistors Z und an der Diode D, die durch den im geöffneten Zustand des Transistors
Z fließenden Emitter- bzw. Basisstrom hervorgerufen werden.
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Die monostabile Kippschaltung arbeitet in der folgenden Weise. Beim
Schließendes Schalters S fließt zunächst ein Strom über den Spannungsteiler R 2,
R 3, den Transistor K und den Widerstand R 4. Der Transistor K ist also zunächst
im leitenden Zustand. Der Kondensator C 1 lädt sich nun analog zu der im Hauptpatent
beschriebenen Weise so lange auf, bis das Potential des Punktes ä dasjenige
des Punktes b'
unterschreitet. In diesem Augenblick wird der Transistor Z
durchlässig. Als Folge hiervon wird der Transistor K gesperrt. Der Kondensator C
1 beginnt sich nun über den Widerstand R 2 und die Emitter-Basis-Strecke
des Transistors Z zu entladen. Das Potential des Punktes ä nimmt deshalb exponentiell
zu. Bevor es aber das Potential des Punktes b' überschreiten kann, wird die Diode
D durchlässig, da
deren Kathodenpotential niedriger ist als dasjenige
des Punktes b'. Es fließt deshalb weiterhin ein Basisstrom über den Widerstand R
2, die Emitter-Basis-Strecke des Transistors Z, die Diode D und den Widerstand R
7, so daß der Transistor Z im leitenden Zustand bleibt. Dies ist demnach der stabile
Zustand der Kippschaltung. Einen Umlauf in den anderen Zustand und zurück führt
die Schaltung aus, wenn man am Punkt c einen negativen Auslöseimpuls zuführt. Hierdurch
wird nämlich der Transistor K geöffnet, wobei der durch diesen Transistor fließende
Strom am Widerstand R 2 einen Spannungsabfall hervorruft, der eine Sperrung des
Transistors Z bewirkt. Damit setzt der bereits beschriebene Ablauf der Vorgänge,
beginnend mit der Aufladung des Kondensators C 1, ein.
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Ebenso wie die Frequenz der astabilen Kippstufe ist auch die Umlaufzeit
der monostabilen Kippstufe weitestgehend unabhängig von der Speisespannung und den
Transistordaten.
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In F i g. 10 ist ein in Anlehnung an die übliche Weise aufgebauter
astabiler Multivibrator dargestellt, der aus zwei erfindungsgemäßen Kippschaltungen
nach F i g. 2 besteht. über zwei Rückkopplungswiderstände R15 bzw. R25 ist dabei
jeweils die Basis des Transistors K1 (bzw. K2) der einen Kippschaltung mit dem Kollektor
des Transistors K2 (bzw. K1) der anderen Kippschaltung verbunden. Im übrigen sind
die Kippschaltungen für sich in der gleichen Weise wie in F i g. 2 aufgebaut. Auf
eine Beschreibung der Funktion dieses astabilen Multivibrators kann hier verzichtet
werden, da er in genau der gleichen Weise wie der als Ausführungsbeispiel beschriebene,
durch zwei Zeitschaltungen gesteuerte Multivibrator gemäß F i g. 6 der deutschen
Auslegeschrift 1045 456 arbeitet. Gegenüber der dort vorgeschlagenen Schaltung besitzt
der erfindungsgemäße Multivibrator jedoch den Vorteil, das besondere Vorspannungsquellen
für die Steuerelektroden der Transistoren K1 und K2 sowie besondere Kopplungskondensatoren
zwischen diesen beiden Transistoren und den zugehörigen Zeitschaltungen überflüssig
werden. Dies wird dadurch erreicht, daß als ohmsche Spanungsteiler für die Zeitschaltung
nicht die Kollektorwiderstände der beiden Transistoren K1 und KZ verwendet werden,
sondern die Emitterwiderstände. Bei verringertem Aufwand ergibt sich somit ein Multivibrator,
dessen Frequenz und Impulsverhältnis ebenfalls unabhängig von der Betriebsspannung
und den Daten der Verstärkerelemente sind.