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Triggerschaltung mit potentialunabhängigen Steuereingängen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Triggerschaltung mit einem oder mehreren potentialfreien Steuereingängen.
Die Triggerschaltung spricht auf beliebig langsame Änderungen der Eingangsgröße
an.
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Unter der Bezeichnung Schmitt-Trigger sind Triggerschaltungen, die
zwei Amplitudenschwellen der Eingangsspannung aufweisen, allgemein bekannt (z. B.
deutsche Auslegesehrift 1149 056). Eine derartige Schaltungsanordnung
kippt immer dann von dem einen in den anderen Schaltzustand, wenn die Eingangsspannung
den oberen Schwellwert -überschreitet bzw. den unteren Schwellwert unterschreitet.
Das Kippen setzt auch dann ein, wenn die Schwellwerte sehr langsam durchlaufen werden.
Dazu ist es bei den bekannten Anordnungen allerdings erforderlich, daß die Eingangsklemme
mit einem der Verstärkerelemente und damit auch mit der Betriebsspannungsquelle
der Triggerschaltung galvanisch verbunden ist. Diese galvanische Verbindung ist
für viele Anwendungsfälle störend.
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Durch die deutsche Patentschrift 1173 522 ist auch ein elektronischer
Schalter mit zwei stabilen Lagen bekannt, bei dem die Steuersignale induktiv mit
Hilfe eines übertragers zugeführt werden. Hierbei besteht zwischen der Anderungsgeschwindigkeit
der Ei,ngangs-Steuergröße und der induktiven Zeitkonstante der Eingangswicklung
des übertragers ein unmittelbarer Zusammenhang. Da die Herstellung von Wicklungen
mit großer Induktivität schwierig und vor allem unter Verwendung kleiner Magnetkeine
praktisch nicht möglich ist, eignet sich der bekannte Schalter nur zur Steuerung
durch Eingangsimpulse mit mehr oder weniger steilen Anstiegsflanken. Beliebig langsame
Änderungen der Steuergrö& können jedenfalls nicht zugelassen werden.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Triggerschaltung mit einem
oder mehreren potentialunabhängigen Steuereingängen und mit einem oberen und einem
unteren Ansprechschwellwert anzugeben, die auch dann von der einen stabilen Lage
in die andere kippt, wenn die Eingangs-Steuergröße die Ansprechschwellen beliebig
langsam durchläuft.
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Die Erfindung geht aus von einer symmetrischen bistabilen Kippschaltung
mit zwei gegenseitig rückgekoppelten, wechselweise stromführenden bzw. gesperrten
Verstärkerelementen, in deren Arbeitsstromkreisen je eine von zwei gleichartigen,
aber entgegengesetzt gepolten Wicklungen eines gemeinsamen Magnetkerns mit annähernd
rechteckförmiger Hystereseschleife zwischen die gesteuerte Elektrode und den Gleichstromwiderstand
eingeschleift ist.
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Gemäß der Erfindung wird diese Kippschaltung in eine Triggerschaltung
abgewandelt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Strom durch das jeweils stromführende
Verstärkerelement kleiner als dessen Sättigungsstrom ist und daß das Kippen der
Triggerschaltung durch eine Erhöhung der Induktivität der Kernwicklungen infolge
'einer magnetischen Erregung, die der von dem jeweiligen Arbeitsstrom durch die
entsprechende Wicklung hervorgerufene Erregung und der jeweiligen Remanenz des Magnetkerns
entgegenwirkt bzw. durch die ' 'damit verbundene Erhöhung der Schleifenverstärkung
der in sich rückgekoppelten, durch das jeweils stromführende (aktive) Verstärkerelement
gebildeten Verstärkerstufe ausgelöst wird.
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Die Triggerschaltung gemäß der Erfindung wird an Hand der F i
g. 1 bis 4 näher erläutert. Die F i g. 1
zeigt als Ausführungsbeispiel
eine nach der Erfindung erweiterte, symmetrische bistabile Kippschaltung mit Transistoren.
Symmetrische bistabile Kippschaltungen nach dem von E c c 1 e s und
J o r d a n angegebenen Prinzip sind in der Technik allgemein bekannt,
so daß auf ihren Aufbau und ihre grundsätzliche Wirkungsweise nicht mehr eingegangen
werden muß.
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In die Kollektorstromkreise der beiden pnp-Transistoren TI und T2
ist jeweils eine der beiden gleichartigen, jedoch entgegengesetzt gepolten Wicklungen
Wl und W2 des übertragers C eingeschleift. Der übertragerkern hat eine annähernd
rechteckförmige Hystereseschleife. An jedem der Verbindungspunkte zwischen einer
Wicklung und dem zum gleichen Stromkreis gehörenden Kollektor-Gleichstromwiderstand
R 1 bzw. R 2 sind die Ausgangsklemmen A 1 bzw. A 2 angeschlossen.
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Durch eine entsprechende Dimensionierung der Kippschaltung wird verhindert,
daß der jeweils stromführende Transistor bis in das Sättigungsgebiet gesteuert wird.
Es sei beispielsweise angenommen, daß der Transistor T 1 gesperrt
und der Transistor T 2 stromführend sei. Der aus den Widerständen R 1,
R 3
und R5 bestehende Spannungsteiler zwischen den beiden
Betriebsspannungen + Ul und - U2 (z. B. + 12 V, - 12
V) ist so ausgelegt, daß die Basis des TransistorsT2 positiv gegen das Massepotential
wird. Der durch den Transistor T2 fließende Emitterstrom und damit der Spannungsabfall
an dem für beide Transistoren gemeinsamen Emitterwiderstand R 7 kann nur
so groß werden, daß der Emitter immer noch positiv gegen die Basis ist. Durch den
Emitterstrom ist auch der Kollektorstrom von nahezu der gleichen Größe festgelegt.
Der Widerstand R2 wird nun so gewählt, daß der Kollektorstrom an ihm einen Spannungsabfall
hervorruft, der zusammen mit dem Spannungsabfall am Widerstand R 7 einen
kleineren Wert als die Summe der beiden Betriebsspannungen Ul und U2 ergibt.
Das bedeutet aber, daß der stromführende Transistor T2 nicht gesättigt ist und daher
im Gegensatz zu einem im Sättigungscrebiet betriebenen Transistor noch Verstärkereigenschaften
besitzt.
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Ist an Stelle des Transistors T 2 der Transistor T 1
stromführend,
so gelten für ihn sinngemäß die gleichen überlegungen, insbesondere, wenn die Schaltungsanordnung,
wie üblich, völlig symmetrisch ausgelegt ist.
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Durch einen Stromimpuls geeigneter Größe und Polarität am Eingang
E kann der Kein des Übertragers U über die Wicklung W3 von der einen
in die andere Remanenzlage geschaltet werden. Die hierbei in den Wicklungen Wl und
W2 induzierten Spannungsimpulse bewirken auch das Kippen der Triggerschaltung.
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Ein ganz anderer Vorgang spielt sich ab, wenn in der Wicklung W3 nur
ein allmählicher Stromanstieg erfolgt. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, daß
die reversible Penneabilität und somit die Induktivität des Schaltkerns stark vom
Magnetisierungszustand abhängig sind. Der Zusammenhang zwischen der InduktivitätL
und der Durchflutung (9 ist in F i g. 2 unter der bekannten Hystereseschleife
eines Schaltkerns dargestellt. Den stellen Ästen der Hystereseschleife entsprechen
Maximalwerte der Induktivität.
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Wenn nun durch die wachsende Durchflutung des Kerns die Induktivität
L groß genug geworden ist, wird die durch den stromführenden Transistor gebildete
Verstärkerstufe zum Schwingen angeregt. Nach gehöriger Aufschaukelung der Schwingung
greift sie auch auf den bisher gesperrten Transistor über und bringt damit schließlich
die Triggerschaltung zum Umkippen. Der Kein des übertragers ü wird hierbei
vollständig ummagnetisiert.
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In F i g. 3 ist zur besseren übersieht eine solche Verstärkerstufe
mit dem stromführenden, an der Schwingungsanfachung zunächst allein beteiligten
Transistor dargestellt. In die Zeichnung wurden nur die hierfür wichtigsten Teile
aufgenommen. Die Verstärkerstufe ist über die Wicklungen Wl und W2 in sich rückgekoppelt.
Die Schleifenverstärkung Vs hängt von der Größe der InduktivitätL etwa nach folgender
Beziehung ab:
Die Konstanten K, und K, werden durch spezielle Schaltungseigenschaften, wie Stromverstärkungsfaktor,
Windungszahlenverhältnis u. dgl., bestimmt. überschreitet die Schleifenverstärkung
den Wert 1,
was dadurch geschehen kann, daß die Induktivität L durch entsprechende
Einstellung des Eingangsgleichstromes in der Wicklung W3 einen kritischen Wert übersteigt,
so wird die Schwingung angeregt. Die in Fi - g. 3 eingezeichnete Kapazität
C bestimmt zusammen mit der (veränderlichen) Induktivität L die Frequenz
der Schwingung. Die Kapazität C braucht nicht als besonderes Bauelement vorgesehen
zu werden, es genügen hierfür vielmehr die stets vorhandenen Schaltungs- und Bauteilekapazitäten,
insbesondere die Basis-Emitter-Kapazität der Transistoren.
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Die Tri,-gerschaltung gemäß der Erfindung weist so, wie sie bisher
beschrieben wurde, einige Nachteile auf. Durch Belastung der Triggerschaltung an
den Ausgangsklemmen bzw. durch Änderung der Belastung kann es leicht geschehen,
daß sich die Schleifenverstärkung der wirksamen Verstärkerstufe verändert, so daß
die Ansprechempfindlichkeit in unzulässiger Weise beeinflußt wird oder sogar die
Schaltung überhaupt nicht mehr funktioniert. Der zweite Nachteil besteht darin,
daß die Schwingung, die das Kippen der Triggerschaltung einleitet, auch auf die
Ausgangsklemmen durchgreift.
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Diese Nachteile können durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung
nach F i g. 4 vermieden werden. Die Schaltungsanordnung nach F i
g. 4 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 nur
durch die Einführung der beiden DiodenD1 und D2. Die WiderständeR1 und R2
werden nun jedoch so festgelegt, daß durch den Kollektorstrom des stromführenden
Transistors, z. B. wieder T2, an dem zugehörigen Widerstand R2 ein Spanriungsabfall
erzeugt würde, der zusammen mit dem Spannungsabfall am Widerstand R 7 einen
größeren Wert als die Summe der beiden Betriebsspannungen U 1 und
U2 ergäbe. Indessen wird aber durch die Diode D 2 ein Teil des Kollektorstromes
gegen ein festes Bezugspotential (z. B. Massepotential) abgeleitet und das kollektomahe
Ende des Widerstandes R 2, abgesehen von der kleinen Schwellenspannung der Diode
D 2, auf dem festen Bezugspotential (Massepotential) gehalten. Durch diese
Maßnahme werden folgende vorteilhafte Wirkungen erzielt: 1. Der stromführende
Transistor wird nicht in das Sättigungsgebiet gesteuert.
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2. Die dynamischen Eigenschaften sind in weiten Grenzen von der Belastung
der Triggerschaltung unabhängig. Ein über die Ausgangsklemmen zu-oder abfließender
Strom ergibt nur eine Veränderung des über die leitende Diode fließenden Stromes
und keine Verschiebung des Arbeitspunktes des stromführenden (Verstärker-)Transistors.
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3. Die während der übergangsphase auftretenden Kollektorwechselströme
treten an den Ausgangsklemmen nicht als Wechselspannungen in Erscheinung.
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Die beiden Ansprechschwellen der erfindungsgemäßen Triggerschaltung
sind, wenn die Schaltung völlig symmetrisch ist, gleich, aber von entgegengesetzter
Polarität. Durch unsymmetrische Dimensionierung lassen sich indessen nur relativ
geringe einseitige Verschiebungen der Ansprechschwellen erzielen. Stärkere Verschiebungen
der Ansprechschwellen können durch einen konstanten Gleichstrom, der dem Eingangsstrom
überlagert wird, erreicht werden
Die gleiche Wirkung ergibt eine
konstante Vorerregung des Kernes durch einen über eine getrennte Wicklung fließenden
Strom. Durch weitere Eingangswicklungen kann ein Und- bzw. Oder-Verhalten der Triggerschaltung
bezüglich der Eingangsströme erzielt werden.