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Transistor-Kippschaltung mit komplementären Transistoren Die Erfindung
betrifft eine Transistor-Kippschaltung mit komplementären Transistoren, bei der
in Reihe mit dem Ausgangstransistor ein Lastwiderstand geschaltet ist, zu denen
weiter ein Spannungsteiler parallel liegt und bei der vom Eingangstransistor der
Kollektor an die Basis des Ausgangstransistors angeschlossen ist und ein Rückkopplungswiderstand
den Kollektor des Ausgangstransistors mit der Basis des Eingangstransistors verbindet.
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Kippschaltungen dienen als Spannungsdiskriminatoren für Gleichspannungen,
Wechselspannungen und Impulsspannungen. Sie geben ein Signal ab, sobald eine vorgegebene
Ansprechspannung über- bzw. unterschritten wird.
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Es ist bereits eine Kippschaltung mit komplementären Transistoren
bekannt, bei der in Reihe mit dem Ausgangstransistor ein Lastwiderstand geschaltet
ist, zu denen parallel ein Spannungsteiler zur Einstellung des Ansprechwertes liegt
(Electro-Technology, April 1963, S. 108). Dabei stellt die Basis des Eingangstransistors,
der ein Eingangswiderstand vorgeschaltet ist, den Eingang der Kippschaltung dar.
Ferner ist zwischen dem Kollektor des Ausgangstransistors und der Basis des Eingangstransistors
ein Rückkopplungswiderstand angeordnet. Eingangswiderstand, Rückkopplungswiderstand
und Lastwiderstand bilden somit bei der bekannten Kippschaltung einen Spannungsteiler,
über den der Eingangstransistor angesteuert wird. Dies bedeutet, daß nachteiligeiweise
der Eingangswiderstand in das Halteverhältnis der Kippschaltung sowie in das Verhalten
beim Durchschalten mit eingeht. Der Ein-` gangswiderstand ist daher bei der Auslegung
der Rückkopplung mit zu berücksichtigen, womit sich eine entsprechende Begrenzung
der Größe des Eingangswiderstandes ergibt. Eine weitere Begrenzung der Größe des
Eingangswiderstandes ergibt sich durch die zu berücksichtigende Strom- und Spannungsdrift
des Eingangstransistors. Der Ansprechstrom muß auch groß gegenüber temperaturbedingten
Schwankungen des Eingangsstromes sein. Außerdem ist bei der bekannten Kippschaltung
ungünstig, daß das Halteverhältnis nicht durch den Innenwiderstand der dem Eingang
vorgeschalteten Signalquelle beeinflußt wird und daß sich bei angesprochener Kippschaltung
- insbesondere bei Signalspannungsquellen mit großem Innenwiderstand - Rückwirkungen
auf das Eingangssignal ergeben.
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Weiter ist eine Transistor-Kippschaltung mit Parallelrückkopplung
zwischen Ausgangs- und Eingangsstufe und einem dem Steuereingang der Eingangsstufe
vorgeschalteten nichtlinearen Widerstand bekanntgeworden, bei der der nichtlineare
Widerstand eine zur Eingangsstufe komplementäre Transistoranordnung ist. Durch die
Anordnung einer zusätzlichen, von der komplementären Transistoranordnung gebildeten
Verstärkerstufe lassen sich bei der bekannten Kippschaltung zwar ein hochohmiger
Eingangswiderstand erzielen und Rückwirkungen auf das Eingangssignal vermeiden,
jedoch wird trotzdem nicht die Beeinflussung des Halteverhältnisses durch den Lastwiderstand
herabgesetzt, da der Rückkopplungswiderstand mit dem eigentlichen Eingang der Kippstufe
verbunden ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kippschaltung zu erstellen,
deren Eingangswiderstand hochohmig sein kann, deren Halteverhältnis sich annähernd
dem Wert Eins wählen läßt und deren Rückwirkung auf das Eingangssignal zu vernachlässigen
ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei der eingangs genannten Kippschaltung
dadurch gelöst, daß von dem Eingangstransistor die Basis an einen Abgriff des Spannungsteilers,
der Emitter an einen Vorwiderstand angeschlossen sind.
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Der Eingangstransistor arbeitet also bei der erfindungsgemäßen Kippschaltung
in Basis-Basis-Schaltung und wird über den Emitter angesteuert, während die Rückkopplung
auf die nicht den Eingang bildende Basis des Eingangstransistors erfolgt. Der Ausgangstransistor
wird in Basis-Emitter-Schaltung betrieben. Durch diese Schaltung wird erreicht,
daß der Eingangswiderstand den Eingangsstrom der Kippschaltung bestimmt, sobald
der Eingangstransistor aufgesteuert ist. Es liegt dann ein eingeprägter Strom im
Kollektorkreis des Eingangstransistors vor. Temperaturbedingte Änderungen des Stromverstärkungsfaktors
und die Stromdrift der Basis-Emitter-Strecke des Eingangstransistors können sich
nicht auswirken, da der Emitter-Kollektor-Strom- vom Eingangswiderstand vorgegeben
ist.
Es verbleibt vom Eingangstransistor lediglich der Einfluß der
Spannungsdrift. Diese läßt sich jedoch gegenüber der Stromdrift besser fassen und
daher auch einfacher sowie genauer kompensieren. Durch diese Herabsetzung der driftbedingten
Schwankungen ergeben sich genauere Ansprechwerte für die Kippschaltung. Eine Ansteuerung
mit kleineren Strömen ist also möglich. Der Eingangswiderstand kann dementsprechend
hochohmig sein.
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Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Schaltung das
Fehlen eines Einflusses -des Eingangswiderstandes und damit auch des Innenwiderstandes
einer Signalquelle auf die Rückkopplung und das Halteverhältnis. Diese Unabhängigkeit
ist eine Folge des -Anschlusses des Rückkopplungswiderstandes an die Basis des Eingangstransistors,
die jedoch nicht den Eingang der Kippschaltung bildet. Der kückkopplungswiderstand
kann dabei sogar hochohmig sein. Letzteres wiederum bedeutet, daß auch der Einfluß
des Lastwiderstandes auf das Halteverhältnis gering bleibt. Es kann somit das Halteverhältnis
bei der erfindungsgemäßen Schaltung in einem großen Bereich, der sich dem Halteverhältnis
Eins sehr nähert, unabhängig vom Eingangs- und Lastwiderstand der Kippschaltung
eingestellt werden.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert werden, aus denen sich weitere Einzelheiten
sowie auch weitere Vorteile ergeben. Dabei zeigt F i g. 1 eine Kippschaltung mit
fest eingestelltem Ansprechwert und vorgegebenem Halteverhältnis, F i g. 2 eine
Kippschaltung mit veränderlichem Ansprechwert; veränderlichem Halteverhältnis sowie
leistungsarmer Stabilisierung der Versorgungsspannung, F i g. 3 eine Kippschaltung
entsprechend F i g. 1 mit Temperaturkompensation des Ansprechwertes. Die in den
Figuren dargestellten Kippschaltungen besitzen jeweils Eingangsklemmen 1, 2, Ausgangsklemmen
14, 15, eine Versorgungsleitung 11 und eine Bezugspotential führende Leitung 3.
Zwischen den Leitungen 3, 11 ist ein Ausgangstransistor 9 in Reihe mit einem beispielsweise
von einem Relais gebildeten Lastwiderstand 12 geschaltet. Parallel zu 12 liegt eine
Freilaufdiode 13. Weiter liegt zu 9 und 12 ein Spannungsteiler 6, 7 bzw. in F i
g. 2 6, 71, 72 parallel, der zur Einstellung des Ansprechwertes der Kippschaltung
dient. An einem Abgriff des Spannungsteilers 6, 7 bzw. 6, 71, 72 ist die Basis eines
Eingangstransistors 5 angeschlossen, dessen Emitter über einen Vorwiderstand 4 mit
der Eingangsklemme 2 und dessen Kollektor an die Basis eines Vortransistors
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und über die Basis-Emitter-Strecke des Vortransistors 8 an die Basis des
Ausgangstransistors 9 angeschlossen ist. Der Kollektor von 8 ist mit der Leitung
11 verbunden. Der Vortransistor 8 dient zur Stromverstärkung. Er wird vor allem
bei einem niederohmigen Lastwiderstand 12 im Kollektorkreis des Ausgangstransistors
9 vorgesehen. Weiter ist zwischen dem Kollektor von 9 und der Basis des Ein- i gangstransistors
5 ein Rückkopplungswiderstand 10 bzw. in F i g. 2101,102 angeordnet.
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Wie aus den Figuren ersichtlich,. ,arbeitet der Eingangstransistor
5 der Kippschaltung in Basis-Basis-Schaltung, während der Ausgangstransistor 9 in
1 Emitter-Basis-Schaltung betrieben wird. Die Rückkopplung vom Ausgangstransistor
9 über den Widerstand 10 bzw. in F i g. 2 die Widerstände 101, 102 auf den Eingangstransistor
5 erfolgt jedoch nicht auf den Eingang der Kippschaltung - also hier den Emitter
von 5 -, sondern auf dessen Basis. Bei einem Ansprechen der Rückkopplung wird daher
zwar das Potential der Basis verändert, so daß die Kippschaltung in ihren jeweils
anderen Schaltzustand kippt, jedoch ergibt sich dabei praktisch keine Wechselwirkung
mit dem Eingangskreis. Der Eingangswiderstand 4 sowie der Innenwiderstand eines
an die Klemmen 1, 2 - angeschlossenen Signalgebers beeinflussen daher weder das
Halteverhältnis der Kippschaltung, noch ergibt sich umgekehrt eine nennenswerte
Rückwirkung der Kippschaltung auf das Eingangssignal.
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Weiter ist günstig, daß der Rückkopplungswiderstand 10 bzw. in F i
g. 2101, 102 und auch der Spannungsteiler 6, 7 bzw. 6, 71, 72 relativ hochohmig
ausgeführt werden können. Bei einem hochohmgen Rückkopplungswiderstand bleibt der
Einfluß des Lastwiderstandes 12 auf das Halteverhältnis gering. Ein hochohmiger
Spannungsteiler ergibt eine geringere Belastung für die Stromversorgung der Kippschaltung.
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Die Kippschaltung nach F i g. 1 arbeitet wie folgt: Ist die zu messende,
an den Klemmen 1, 2 anliegende Spannung kleiner als die am Spannungsteiler 6, 7
über die Basis des Eingangstransistors 5 abgegriffene Spannung, so sind alle Transistoren
5, 8, 9 der Kippschaltung gesperrt. Sobald jedoch die zu messende Spannung die abgegriffene
Spannung um den Betrag der Schleusenspannung der Emitter-Basis-Diode des Eingangstransistors
5 überschreitet, fließt ein Strom über den Widerstand 4, durch den die Transistoren
8, 9 angesteuert werden. Dadurch wird weiter über den Widerstand 10 ein Rückkopplungssignal
auf die Basis des Eingangstransistors 5 gegeben, so daß 5 und damit auch die weiteren
Transistoren 8, 9 voll durchgesteuert werden. Die Schaltung ist dann in ihren angesprochenen
Zustand gekippt.
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Im angesprochenen Zustand bestimmt praktisch nur der Eingangswiderstand
4 den über die Klemmen 1, 2 fließenden Strom, da die Transistoren 5, 8, 9 durchgesteuert
sind. Temperaturbedingte oder auch sonstige Änderungen des Stromverstärkungsfaktors
des Eingangstransistors 5 sowie die Stromdrift der Basis-Emitter-Strecke von 5 können
sich daher günstigerweise nicht auswirken. Es ergeben sich somit genauere Ansprechwerte.
Der Eingangswiderstand 4 kann also hochohmiger als bei bekannten Kippschaltungen
ausgeführt werden. Es verbleibt praktisch nur der Einfluß der Spannungsdrift. Diese
läßt sich jedoch gegenüber der Stromdrift besser erfassen und auch besser kompensieren.
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Weiter ist bei der erfindungsgemäßen Kippschaltung günstig, daß der
jeweils zum Ansprechen erforderliche Strom von der Einstellung des mit der Basis
des Eingangstransistors 5 verbundenen Abgriffes des Spannungsteilers 6, 7 unabhängig
ist. Eine Veränderung des Ansprechwertes führt auch zu keiner Änderung des Eingangswiderstandes.
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Die Wirkungsweise der in F i g. 2 bzw 3 dargestellten Kippschaltung
ist die gleiche wie bei der Kippschaltung nach F i g.1.
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In F i g. 2 ist jedoch die Basis des Eingangstransistors 5 über einen
einstellbaren Widerstand 103 mit dem Abgriff des einstellbaren Widerstandes 71 verbunden,
der zusammen mit einem Widerstand 72 und den Widerstand 6 den Spannungsteiler bildet.
Durch
den Widerstand 103 erscheint der Spannungsteiler 6, 71, 72
für die Rückkopplung - gebildet von den Widerständen 101,102 - hochohmiger, womit
auch die Widerstände 101,102 entsprechend hochohmiger gewählt werden können. Andererseits
braucht der Widerstand 103, durch dessen Einstellung das Halteverhältnis verändert
werden kann, nicht so hochohmig wie die Rückkopplungswiderstände 101,102
gewählt
zu werden. Damit wird die Auswahl der für 103 verwendbaren Potentiometer erheblich
erleichtert. Die vorstehend beschriebene Schaltung . ermöglicht insgesamt -vorteilhafterweise
eine gesonderte Einstellung des Ansprechwertes und des Halteverhältnisses der Kippschaltung,
wobei sich .die Ein-. stellungen nicht auf den Eingangskreis, in°shesondere auf
den Eingangswiderstand der Kippschaltung, auswirken. Die Werte können sogar innerhalb
großer Bereiche gewählt werden.
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Außerdem sind bei der Kippschaltung nach F i g. 2 parallel zum Ausgangstransistor
9 und Lastwiderstand 12 ein Widerstand 16 und eine Zenerdiode 17 geschaltet, wobei
die Zenerdiode 17 parallel zum Spannungsteiler 6, 71, 72 liegt. Dadurch ergibt sich
eine leistungsarme Stabilisierung der Versorgungsspannung für die Kippschaltung,
deren wesentlichster Verbraucher, der Lastwiderstand 12, nicht an die stabilisierte
Spannung angeschlossen ist. Außerdem kann der Temperaturkoeffizient der Zenerdiode
17 derart gewählt werden, daß für eine bestimmte Ansprechspannung der Kippschaltung
der Temperaturgang der Ansprechspannung kompensiert wird.
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Um noch verbleibende Einwirkungen von Schwankungen der Versorgungsspannung
auf den Ansprechwert auszuschalten, die diesen über die Rückkopplung beeinflussen
könnten, sind zwei hintereinandergeschaltete Rückkopplungswiderstände 101,102 vorgesehen,
zwischen deren Verbindungspunkt und dem Anschlußpunkt der Zenerdiode 17 an den Widerstand
72 des Spannungsteilers 6, 71, 72 eine Diode 18 angeordnet ist. Die Diode 18 ist
so gepolt, daß bei gesperrtem Transistor 9 über den Lastwiderstand 12, den
Widerstand 101 und die Diode 18 ein sehr kleiner Strom fließt, der
zwar einerseits die stabilisierte Spannung nicht beeinträchtigt, andererseits jedoch
ausreichend ist, um die Spannung am Verbindungspunkt der Diode 18 mit den Widerständen
101, 102 konstant zu halten. Schwankungen der Versorgungsspannung wirken sich dadurch
nicht mehr auf den Ansprechwert aus.
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Bei großen Unterschieden zwischen der an 15 anliegenden Versorgungsspannung
und der durch die Zenerdiode 17 stabilisierten Spannung würde allerdings die Rückkopplung
wegen der Diode 18 erst bei entsprechend stärkerer Ansteuerung des Transistors 9
wirksam werden. Um jedoch trotzdem ein unverzügliches Einsetzen der Rückkopplung
und damit ein schnelles Kippen der Schaltung zu erzielen, sobald der Ansprechwert
erreicht ist, liegt vorteilhafterweise parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Ausgangstransistors
9 ein Widerstand 19. Außerdem ist zwischen der Basis von 9 und dem Emitter des Eingangstransistors
5 ein Kondensator 23 geschaltet. Bei Erreichen des Ansprechwertes der Kippschaltung
- also dem Leitendwerden der Transistoren 5, 8, 9 - wird über den Kondensator 23
ein Rückkopplungsimpuls auf den Eingang des Eingangstransistors 5 gegeben, durch
den dieser sowie die weiteren Transistoren 8, 9 schnell aufgesteuert werden. Dadurch
wird weiter - trotz Diode 18 - auch die Rückkopplung über die Widerstände
101, 102 schnell wirksam, und die Schaltung verhält sich dann, da die Diode
18 bei leitendem Transistor 9 sperrt, als ob die Diode 18 nicht vorhanden ist.
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F i g. 3 zeigt eine Kippschaltung entsprechend F i g. 1, wobei jedoch
der Eingangswiderstand 4 an den Emitter eines weiteren, zum Eingangstransistor 5
nicht komplementären Transistors 21 angeschlossen ist. Die Emitter-Kollektor=Strecke
von 21 liegt parallel zum Eingangstransistor 5 und den Bäsis-gmitter-Strecken der-
Transistdren-8, 9. Weiter sind die Basis von 21 über einen Widerstand 22 mit der
Eingang5klemme 2 und der Emitter von 21 über einen 'Widerstand 20 mit der
Leitung 11 verbunden. Durch den Transistor 21 wird eine weitgehende Kompensation
des Temperaturganges des Ansprechwertes der Kippschaltung erreicht. Die sonstige
Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 3 entspricht derjenigen nach F i g. 1 und
braucht daher nicht nochmals erläutert zu werden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß eine Kippschaltung mit hochohmigem Eingangswiderstand sowie gut erfaßbarer und
damit einfach kompensierbarer Temperaturdrift geschaffen wurde. Weiter ist günstig,
daß sich der Ansprechwert ohne Beeinflussung des Eingangswiderstandes und des Halteverhältnisses
einstellen läßt.