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Transistorschaltung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
mit wenigstens einem Transistor, dessen elektrischer Schaltzustand durch wenigstens
ein Element einstellbar ist, das über ein Wärme mit großer Zeitverzögerung leitendes
Medium thermisch durch einen elektrisch steuerbaren, eine Temperaturänderungseinrichtung
darstellenden Heizwiderstand gesteuert ist.
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In der Steuer- und Regeltechnik werden oft große Verzögerungszeiten
zwischen dem Auftreten einem Impulses und der Herstellung eines bestimmten Schaltzustandes@der
Steuerung oder des Regelkreises benötigt. Normalerweise werden Verzögerungen durch
Einschalten eines RC-Gliedes in dem Strompfad hervorgerufen. Die maximale Größe
der so zu erzielenden Verzögerungszeiten hängt von der Kapazität der zu verwendenden
Kondensatoren und dem Widerstandswert der zu verwendenden Widerstände ab. Bei Schaltungen.
mit Elektronenröhren ist die Größe der verwendbaren Widerstände praktisch nur durch
die unvermeidbaren Ableitwiderstände der Schaltung, insbesondere auch der verwendeten
Kondensatoren begrenzt. Es lassen sich also verhältnismäßig hohe Werte verwenden.
Bei ähnlichen Schaltungen mit Transistoren ist das aber nicht der Fall, weil Transistorschaltungen
vergleichsweise niederohmig aufgebaut werden müssen. Gerade bei Transistorschaltungen
lassen sich deshalb unter Anwendung üblicher Technik keine großen Verzögerungszeiten
verwirklichen.
In der deutschen Patentschrift 961 912 ist eine Transistorschaltung
beschrieben, die große Verzögerungszeiten ermöglicht. Als wesentliche Elemente enthält
diese Schaltung einen Spitzentransistor und einen fremdgeheizten Heiß- oder Kaltleiter,
der den Basis- oder Emitterwiderstand des Spitzentransistors bildet. Da Spitzentransistoren
einen Kennlinienbereich negativen Widerstandes aufweisen, kann die Schaltung in
Abhängigkeit von der Größe des Heiß- oder Kaltleiterwiderstandes einen von zwei
stabilen Arbeitspunkten einnehmen.
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Die Schaltung stellt also eine Kippschaltung dar. Die Funktion, die
der temperaturgesteuerte Heiß- oder Kaltleiter hier ausübt, ist an diese Schaltung
gebunden, z.B. läßt sich eine gleichartige Kippschaltung bereits dann nicht mehr
realisieren, wenn der Spitzentransistor durch einen Flächentransistor ersetzt wird.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, für eine
derartige Schaltung eine weitere Lösung anzugeben, die sich durch eine besonders
einfache Konfiguration, sowohl in schaltungstechnischer als auch in konstruktiver
Hinsicht auszeichnet.
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Ausgehend von einer Schaltungsanordnung mit wenigstens einem Transistor,
dessen elektrischer Schaltzustand durch wenigstens ein Element einstellbar ist,
das über eine Wärme mit großer Zeitverzögerung leitendes Medium thermisch durch
einen elektrisch steuerbaren, eine Temperaturänderungseinrichtung darstellenden
Heizwiderstand gesteuert ist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ihre Realisierung
mit wenigstens einem einen Kunststoffblock mit Metallkappe darstellenden Bauelement
gelöst, in dem der den elektrischen Schaltzustand der Schaltung bestimmende Transistor
und die Temperaturänderungseinrichtung eingebettet sind, und bei dem der Kunststoffblock
das verbindende Medium und der Transistor zugleich das thermisch steuerbare Element
ist.
Durch die deutsche Auslegeschrift 1 156 111 ist bereits ein
Transistorverstärker mit zwei zu einer Baueinheit konstruktiv zusammengefaßten Stufenbekannt,
die galvanisch in der Weise miteinander gekoppelt sind, daß eine Zunahme des statischen
Ausgangsstromes der ersten Stufe eine Verminderung des statischen Ausgangsstromes
der zweiten Stufe zur Folge hat. Zur thermischen Stabilisierung sind hierbei die
einzelnen Stufen über wärmeleitende Brücken thermisch gekoppelt, wodurch eine Überlastung
und unzulässige Erwärmung vermieden wird.
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Zwar werden bei dieser bekannten Schaltung die Eigenschaften der Transistoren
im Sinne einer Steuerung beeinflußt, doch unterscheidet sie sich vom Erfindungsgegenstand
wesentlich in mehrfacher Hinsicht. Weder enthält die Schaltung eine einen Zweipol
darstellende Temperaturänderungseinrichtung noch sind die wärmeleitenden Brücken
aus Kunststoff und für eine Wärmeübertragung mit großer Zeitverzögerung ausgelegt.
Im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand kommt es hier vielmehr auf eine möglichst
schnelle Wärmeleitung an.
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Durch die deutsche Auslegeschrift 1 0338 954 ist weiterhin eine Schaltungsanordnung
zur Temperatur- und/oder Strahlungsanzeige beschrieben, die aus einem Transistoroszillator
besteht, dessen Amplitude von der Temperatur des Transistors unmittelbar abhängt,
die wiederum durch die Umgebungstemperatur bedingt ist. Dieser Oszillator enthält
keine Temperaturänderungseinrichtung und kein wärmeleitendes Medium, so daß auch
keine verzögerte Temperaturübertragung von dieser zu einem Transistor im Sinne der
Erfindung innerhalb eines Bauelements stattfindet.
Auch die durch
die deutsche Auslegeschrift 1 096 419 bekannte Transistorkippschaltung mit einem
Widerstand, der durch atmosphärische Größen in seinem Widerstandswert veränderbar
ist und ohne Zeitverzögerung jeweils einen der beiden stabilen Zustände der Kippschaltung
erzwingt, bietet keine unmittelbare Vergleichsmöglichkeit mit der vorliegenden Erfindung.
Diese Kippschaltung enthält nämlich keine elektrisch steuerbare Temperaturänderungseinrichtung,
deren Wärme über einen Kunststoffblock auf den Transistor einwirkt.
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Aus der deutschen Patentschrift 873 717 ist schließlich noch eine
Schaltungsanordnung zur verzögerten Auslösung eines Schaltvorganges unter Verwendung
eines Relais und eines Heißleiters bekannt. Diese Schaltung enthält weder einen
Transistor, noch eine elektrisch steuerbare Temperaturänderungseinrichtung, noch
ein Wärme mit großer Zeitverzögerung leitendes Medium, die zu einem Bauelement zusammengefaßt
sind, und berührt somit die Erfindung nicht.
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Die Temperaturänderungseinrichtung kann im einfachsten Fall ein ohmscher
Widerstand sein. Die Verwendung des Heizwiderstandes ist bei geschickter Dimensionierung
der ganzen Schaltungsanordnung normalerweise unbedenklich, wenn auch die Betriebstemperatur
eines Transistors bekanntlich nicht zu hoch sein darf.
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Wenn eine Schaltungsanordnung mit zwei Transistoren aufgebaut werden
soll, die wechselweise einen bestimmten Schaltzustand einnehmen soll, wie das beispielsweise
bei Multivibratoren der Fall ist, kommt es in der Regel bei Verwendung der erfindungsgemäßen
Bauelemente weniger auf den Temperaturunterschied des einen oder des anderen Transistors
gegenüber seiner Umgebung an, sondern auf die Differenz in der Betriebstemperatur
der beiden Transistoren.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann in
einer Vielzahl von Schaltungsanordnungen,insbesondere der Regel- und Steuertechnik,
angewandt werden. So kann beispielsweise ein monostabiler Multivibrator zur Erzeugung
von Impulsen großer Dauer aus einer erfindungsgemäßen Anordnung und einem zweiten
Transistor aufgebaut werden, zweckmäßigerweise wird dabei die Temperaturänderungseinrichtung
der erfindungsgemäßen Anordnung als Kollektorwiderstand des zweiten Transistors
geschaltet.
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Ein solcher monostabiler Multivibrator mit einer erfindungsgemäßen
Anordnung mit einem Heizwiderstand kann als Multivibrator zur Erzeugung von langperiodischen
Schwingungen ausgebaut werden, wenn der zweite Transistor ebenfalls Bestandteil
einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Heizwiderstand ist und der hierzu gehörige
Heizwiderstand als Kollektorwiderstand des ersten Transistors geschaltet ist.
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3in spezielles Problem gerade auch der Regel- und Steuertechnik ist
die Verstärkung von Gleichströmen. Schon die schwachen Temperaturabhängigkeiten
der in Röhrenverstärkern verwendeten Bauelemente führen über längere Betriebsdauer
zu Wanderungen in der Null-Zage der Ausgangsspannung, der sog. "Drift". Bei Transistorverstärkern
treten solche Drifterscheinungen natürlich in wesentlich erhöhtem Maße auf, so daß
es bisher noch nicht möglich war, einen über nennenswerte Zeitspannen konstanten
Gleichstromverstärker mit Transistoren aufzubauen. Eine gewisse Herabsetzung der
Temperaturabhängigkeit brachte zwar die Verwendung eines Differenzverstärkers aus
zwei Transistoren als Eingangsstufe - oder auch als weitere Stufen - 3 eine Konstanz
über längere Betriebszeiten konnte aber auch
damit nicht erreicht
werden. Ein praktisch driftfreier Verstärker dieser Art kann aus Transistoren aufgebaut
werden, wenn die beiden Transistoren der Eingangsstufe Bestandteile einer erfindungsgemäßen
Anordnung sind und die Temperaturänderungseinrichtungen durch einen getrennten Verstärker,
der zu Zeiten, in denen der Ausgang der Schaltungsanordnung gleich Null sein muß,
in Betrieb gesetzt wird, dann mit Strom auf einem bestimmten Wege versorgt werden,
wenn und solange der Ausgang eine Spannung mit einem bestimmten Vorzeichen führt.
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Eine Pegelregelung nur während gewisser Zeiten durchzuführen, ist
an sich bekannt. So ist in der deutschen Patentschrift 1 015 858 ein Nachrichtenübertragungssystem
mit Kompander beschrieben, dessen Expander durch einen Pilotton gesteuert wird,
der in den Modulationspausen für die-Pegelregelung verwendet wird.
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Wenn der vorstehend beschriebene Verstärker immer nur kurzzeitig betrieben
wird, so daß eine evtl. auftretende Drift klein bleibt und in kurzen Zeitabständen
dachgeregelt werden kann, arbeitet ein solcher sogenannter Operationsverstärker
einwandfrei. Werden die Betriebszeiten jedoch größer, wie es beispielsweise bei
Verwendung solcher Verstärker als Bestandteile einer Integrierschaltung möglich
ist, so wird in weiterer Ausbildung der Erfindung empfohlen, in die bzw. jede Differenzverstärkerstufe
aus zwei Transistoren einen bezüglich des Arbeitspunktes stabilisierend wirkenden
Mitkopplungszweig dadurch einzubauen, daß die Basis und der Emitter des einen Transistors
durch einen Widerstand miteinander verbunden sind. die Ausgangsspannung ist dann
vom Kollektor des anderen, mitkopplungsfreien.Transistors abzunehmen, dessen Kollektorstrom
dadurch stabilisiert wird.
Wie erwähnt, kann ein Operationsverstärker
auch als Bestandteil einer Integrierschaltung arbeiten, in diesem Fälle ist ein
vor seinen Eingang geschalteter Widerstand durch einen Integrierkondensator mit
dem Ausgang verbunden. Parallel zu dem Integrierkondensator liegt dann aber der
Verstärkereingangswiderstand, durch den ein Fehlerstrom fließt. Dadurch wird die
das Integrierergbbnis darstellende Ausgangsspannung des Verstärkers um einen bestimmten
Betrag vermindert. Die Verminderung der Ausgangsspannung kann dadurch beseitigt
werden, daß der parallel zum Integrierkondensator liegende Widerstand des Verstärkereingangs
unendlich groß gemacht wird, indem beispielsweise der als Eingangsstufe eingesetzte
Differenzverstärker derart abgeändert wird, daß ein anderer Eingang des Verstärkers,
der gegenphasig zu dem mit dem Widerstand verbundenen liegt, mit dem Abgriff eines
Spannungsteilers verbunden ist, der zwischen dem mit dem Ausgang des Verstärkers
verbundenen Anschluß des Kondensators und null Volt liegt.
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Die Erfindung soll anhand der Zeichnung noch näher erläutert werden.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung
Fig. 2 eine Ansicht der Anordnung nach Fig. 1 von unten Fig. 3 eine mit einer erfindungsgemäßen
Anordnung aufgebaute Verzögerungsschaltung Fig. ¢ eine verbesserte Ausführung der
Schaltung nach Fig. 3 Fig. 5 eine mit zwei erfindungsgemäßen Anordnungen aufgebaute
Multivibratorschaltung
Fig. 6 eine verbesserte Ausführungsform der
Multivibratorachaltung nach Fig. 5 Fig. 7 eine Abwandlung der Multivibratorschaltung
nach Fig. 5 zur Bildung einer monostabilen Multivibratorschaltung Fig. 8 eine Operationsverstärkerschaltung
Fig. 9 eine mit einer Schaltungsanordnung nach Fig. 8 aufgebaute Integrierachaltung
Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung ist in Fig. 1 und 2 dargestellt.
Sie besteht aus einem Kunststoffblock 1 mit einer Längsbohrung 2 und einem in diese.
mündenden, parallel zu ihr laufenden Schlitz 3 sowie einer Aussparung 4, einer metallischen
Kappe 5, einem ohmschen Widerstand 6, der in der Bohrung 2 liegt, und einem Transistor
7, der in der Aussparung 4 angeordnet ist. Die Stromzuleitungen für den Widerstand
6 ragen aus dem Schlitz 3 heraus. der Widerstand 6 und der Transistor 7 sind so
in die Bohrung 2 bzw. die Aussparung 4 eingepaßt, daß sie sich selbst halten.
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Fließt bei einer solchen Anordnung ein Strom durch den Widerstand
6, so erwärmt sich dieser und teilt seine Erwärmung über den Kunststoffblock 1 dem
Transistor 7 mit. Auf diesen wirkt die Erwärmung wie ein elektrisches Signal an
der Basis im Sinne einer Erhöhung des Kollektpnatroms.
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In Fig. 3 ist eine Verzögerungsschaltung mit einer Anordnung nach
Fig. 1 und 2 dargestellt. Ein Transistor 3T1 ist in üblicher Weise mit einem Kollektorwideratand
3R2 und einem Emitterwiderstand 3R3 zwischen Betriebsspannung UB und 0 Volt
geschaltet.
Die Basis des Transistors 3T1 muß in nicht .näher dargestellter weise auf einen
bestimmten Arbeitspunkt vorgespannt werden, beispielsweise durch Anschluß an einen
Abgriff eines zwischen UB und 0 Volt liegenden Spannungsteilers. Die Basis
kann aber auch als Eingang für Steuersignale verwendet werden, die den Ausgang 3A
unverzögert beeinflussen sollen.
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Im Bereich des Transistors 3T1 ist ein Heizwiderstand 3R1 angeordnet,
zweckmäßgerweise gemäß Fig. 1 und 2 mit diesem gemeinsam-,-in einen Kunststoffblock
eingebettet, wie durch den beide Symbole umschließenden Kreis angedeutet. Ein Anschluß
des Widerstandes 3R1 liegt an 0 Volt, der andere dient als Eingang für ein elektrisches
Signal, aufgrund dessen nach einer bestimmten Zeit am Ausgang 3A ein Signal auftreten
soll.
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Eine Verbesserung der einfachen Verzögerungsschaltung nach Fig. 3
ist in Fig. 4 dargestellt. Diese besteht aus einer Anordnung mit einem Transistor
4T1 und einem Heizwiderstand 4R1 und einem weiteren Transistor,4T2, der mit dem
Transistor 4T1 nach Art eines Differenzverstärkers zusammengeschaltet ist. Die Emitter
beider Transistoren liegen über einem gemeinsamen Emitterwiderstand 4R3 an 0 Volt
und über getrennte"Kollektorwiderstände 4R2 und 4R4 an der Betriebsspannung UB.
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Die Basis des Transistors 4T2 ist über einen Spannungsteiler 4R5 und
4R6 auf festes Potential gelegt. Die Schaltung der Basis des Transistors 4T1 ist
wie in Fig. 3 offengelassen, sie kann ebenfalls auf festem Potential liegen, kann
aber auch als Eingang für Steuersignale oder zur Einstellung eines Schwellwertes
verwendet werden.
Der Heizwiderstand 4R1 ist wie im Fall der Fig.
3 mit einem Anschluß an 0 Volt angeschlossen, der andere Anschluß dient als Eingang
für das Steuersignal.
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Die betriebsmäßige Verbesserung der Schaltungsanordnung nach Fig.
4 gegenüber der nach Fig. 3 liegt darin, daß die verbesserte Anordnung wegen der
starken Gegenkopplung über den gemeinsamen Emitterwiderstand unabhängiger ist von
Schwankungen in der Umgebungstemperatur. Durch geeignete Bemessung der Bauelemente
der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 läßt sich auch erreichen, daß sich die Spannung
am Ausgang 4A annähernd sprunghaft ändert.
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Fig. 5 zeigt die Schaltung eines Multivibrators. Dieser besteht aus
zwei Transistoren 5T1 und 5T2 mit jeweils zugehörigen Heizwiderständen 5R1 und 5R2,
die, wie durch die Schaltsymbole umschließende Kreise angedeutet, gemäß Fig. 1 in
einem gemeinsamen Kunststoffblock eingebettet sind. Der im Bereich des Transistors
5T1 angeordnete Widerstand 5R1 ist als Kollektorwiderstand des anderen Transistors
5T2 geschaltet, umgekehrt ist der im Bereich des zweiten Transistors 5T2 angeordnete
Heizwiderstand 5R2 als Kollektorwiderstand des ersten Transistors 5T1 geschaltet.
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Wenn in einem bestimmten Schaltzustand des Multivibrators der Transistor
5T1 leitet, ist der Transistor 5T2 annähernd gesperrt, weil über den Koppelwiderstand
5R3 vom Kollektor .des Transistors 5T1 Sperrspannung an die Basis des Transistors
5T2 gegeben wird. Gleichzeitig fließt der Kollektörstrom des Transistors 5T1 durch
den Heizwiderstand 5R2 im Bereich des zweiten Transistors 5T2 und erwärmt diesen,
bis die Erwärmung des Transistors 5T2 ausreicht, den Einfluß der sperrenden Basisspannung
zu überwinden und den Transistor
5T2 leitend zu machen. In dem
Moment wird über den Koppelwiderstand 5R4 Sperrspannung an die Basis des Transistors
5T1 gegeben, so daß dieser annähernd sperrt. Damit hört im wesentlichen Stromfluß
durch den Widerstand 5R2 und damit eine Erwärmung des Transistors 5T2 auf, dafür
beginnt der Stromfluß durch den Widerstand 5R1 und damit eine Erwärmung des Transistors
5T1. Die mit Bezug auf den Transistor 5T2 beschriebenen Vorgänge wiederholen sich
jetzt, während sich der Transistor 5T2 wieder abkühlt.
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Die Dauer der so gesteuerten Schwingungen richtet sich nach der Wärmekapazität
der beiden Anordnungen aus dem Transistor 5T1 und dem Widerstand 5R1 bzw. dem Transistor
5T2 und dem Widerstand 5R2 und der Wärmeableitung der beiden Anordnungen an die
Umgebung. Nach einem anfänglichen Warmlaufen der Schaltung tritt ein Zustand ein,
in dem beide Transistoren im Mittel eine bestimmte Temperatur einnehmen, die über
der Umgebungstemperatur liegt, beispielsweise 100
über der Chassistemperatur.
Selbstverständlich pendeln die Betriebstemperaturen beider Transistoren in dem beschriebenen
Rhythmus .um dies.e° mittlere Temperatur.
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Eine Weiterentwicklung der Schaltung nach Fig. 5 ist In Fig. 6 dargestellt.
Dieser Multivibrator kann als normaler Multivibrator aus zwei Transistoren 6T1 und
6T2 angesprochen. werden, bei dem die sonst üblichen RC-Glieder durch zwei erfindungsgemäße
Anordnungen aus einem Transistor 6T3 bzw. 6T4 und je einem Widerstand 6R1 bzw. 6R2
ersetzt sind.
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Die Heizwiderstände 6R1 und 6R2 sind jeweils als Kollektorwiderstand
der Multivibratortransistoren 6T1 bzw. 6T2 geschaltet, werden also je nach Schaltzustand
des Multivibrators abwechselnd aufgeheizt. Die Steuerung des Multivibrators erfolgt
durch die Kollektorspannung der Transistoren 6T3 bzw. 6T4 über Koppelwiderstände
6R3 bzw. 6R4 in Verbindung mit den Multivibrator-Koppelwiderständen 6R5 bzw. 6R6.
Der
Transistor 6T1 leitet, wenn der Transistor 6T4 mehr Strom zieht, als Transistor
6T3, so daß die Basis des Transistors 6T2 über 6R4 und 6R5 mit Sperrspannung beaufschlagt
wird. Der Kollektorstrom des Transistors 6T1 fließt durch den Heizwiderstand 6R1
für den Transistor 6T3, so daß dieser allmählich erwärmt wird. gleichzeitig kann
sich der Transistor 6T4, der in der vorhergehenden Schaltphase erwärmt war, abkühlen.
Nach einer durch die Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, die Heizleistung und Wärmeableitung
der ganzen Anordnung gut reproduzierbar festgelegten Zeit ist der Transistor 6T3
weit genug erwärmt, um über den Widerstand 6R3 Sperrspannung an die Basis des Transistors
6T1 zu geben, während etwa gleichzeitig der Transistor 6T4 soweit abgekühlt ist,
daß praktisch keine Sperrspannung mehr an der Basis des Transistors 6T2 steht. Der
Multivibrator kippt dann in bekannter Weise in den anderen Schaltzustand, in dem
der Transistor 6T2 leitet und der Transistor 6T1 gesperrt ist. An den Transistoren
6T2 und 6T4 spielen sich dann die gleichen Vorgänge ab wie eben in Verbindung mit
den Transistoren 6T1 und 6T3,beschrieben und umgekehrt, bis die Schaltung wieder
in den zuerst beschriebenen Zustand zurückkehrt.
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Durch Vereinfachung der Schaltung nach Fig. 5 kann auch ein monostabiler
Multivibrator aufgebaut werden, wie in Fig. 7 dargestellt. Ein solcher besteht aus
einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Transistor 8T1 und einem Heizwiderstand
8R1 und einem zweiten Transistor 8T2, als dessen Kollektorwiderstand der Heizwiderstand
8R1 geschaltet ist. Im Normalbetrieb leitet der Transistor 8T1. Kommt ein Sperrimpuls
an die Basis des Transistors 8T1 so sperrt dieser und macht Transistor 8T2 über
den Koppelwiderstand 8R2 leitend. Über Koppelwiderstand 8R3 wird dann Transistor
8T1 gesperrt, so daß dauernd Kollektorstrom durch den
Heizwiderstand
8R1 fließt. Transistor 8T1 wird dadurch erwärmt, bis die Erwärmung ausreicht, die
Sperrspannung an der Basis zu kompensieren, so daß Transistor 8T1 wieder leitend
wird und über Koppelwiderstand 8T2 Sperrspannung an die Basis von Transistor 8T2
gibt. Transistor 8T2 wird dann wieder gesperrt und Transistor 8T1 leitet, so daß
der ursprüngliche Schaltzustand wieder hergestellt ist. Die zwischen dem Leitendwerden
des Transistors 8T2 und dem Zurückkippen der Schaltung in den ursprünglichen Zustand
verstrichene Zeit hängt wieder von der Heizleistung am Widerstand 8R1, dem Wärmeübergangswiderstand
zwischen dem Heizwiderstand 8R1 und dem Transistor@8T1, der Wärmekapazität der Anordnung
und der vorgesehenen Kühlung ab. Der Vollständigkeit halber soll darauf hingewiesen
werden, daß auch die Schaltung nach Fig: 6 als monostabiler Multivibrator arbeiten
kann. es muß dann ein Heizwiderstand 6R1 oder 6R2 durch einen einfachen Kollektorwiderstand
6R1' bzw. 6R2' ersetzt werden, wie in unterbrochenen Linien angedeutet, so daß entweder
Transistor 6T3 oder Transistor 6T4 indem betreffenden Schaltzustand der Schaltung
nicht mehr geheizt :wird, so daß dieser Schaltzustand stabil wird. In Fig. 8 ist
ein Gleichstromverstärker, ein sog. Operationsverstärker, aus drei Differenzverstärkerstufen
mit je zwei Transistoren 9T1 und 9T2, 9T3 und 9T¢ bzw. 9T5 und 9T6 und einem als
Emitterfolger geschalteten Ausgangstransistor 9T7 dargestellt. Temperaturänderungen
wirken auf beide Transistoren eines Differenzverstärkers im wesentlichen gleichmäßig,
so daß sich die Temperatureinflüsse am Ausgang im wesentlichen aufheb;:n. Die verbleibenden
temperaturbedingten Schwankungen der Transistorarbeitspunkte eines Differenzverstärkers
werden hauptsächlich von der durch Gegenkopplung am gemeinsamen Emitterwiderstand
stark verminderten Temperaturabhängigkeit der beiden Transistoren, ferner durch
geringe Temperaturunterschiede
und Exemplarstreuungen dieser Transistoren
verursacht. Wegen der großen Verstärkung eines Operationsverstärkers bewirken selbst
kleinste Arbeitspunktschwankungen in der Eingangsstufe große Änderungen der Ausgangsspannung.
Beim Bau hochwertiger Operationsverstärker muß deshalb die verbleibende Drift durch
Mnsatz weiterer Stabilisierungsmaßnahmen noch stark reduziert werden.
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Ein Operationsverstärker in repetierenden Analogie-Rechenanlagen ist
nur während der kurzzeitigen periodischen Rechenvorgänge im Betrieb. In den Pausen
wird der Verstärkereingang auf 0 Volt gelegt. Bei driftfreier Verstärkung muß sich
dann die Ausgangsspannung ebenfalls auf 0 Volt einstellen. In diesen Rechenpausen
ist es also möglich, durch Überprüfung der Ausgangsspannung festzustellen, ob ein
Wandern des Arbeitspunktes (Drift) eingetreten ist. An den Ausgang 7A ist deshalb
ein weiterer Differenzverstärker aus zwei Transistoren 9 M und 9T9 angeschlossen
und am Kollektor der beiden Transistoren dieses Verstärkers ist jeweils ein Heizwiderstand
angeschlossen, der im Bereich der Transistoren 9T1 und 9T2 am Eingang des Operationsverstärkers
angeordnet ist.
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Während der Rechenzeiten des Operationsverstärkers ist der Schalter
9S1 in der dargestellten Stellung, so daß an der Basis beider Transistoren 9T8 und
9T9 des Nachgleich-Differenzverstärkers 0 Volt liegen. Durch beide Widerstände 9R1
und 9R2 darf dann kein Strom fließen, wie ohne weiteres verständlich ist. In den
Rechenpausen wird der Schalter 9S1 umgelegt, so daß am Eingang des Operationsverstärkers
mit Sicherheit 0 Volt liegen und die Basis des Transistors 9T9 über den Widerstand
9R3 auf Potential des Ausgangs 7A gebracht werden kann. Unterscheidet sich dieses
von 0 Volt, so
nimmt je nach Polarität der Spannungsabweichung
am Ausgang 7A der Kollektorstrom,eines Transistors und dadurch der Spannungsabfall
am zugehörigen Kollektorwiderstand des Nachstimm-Differenzverstärkers zu. Sobald
der Spannungsabfall an einem Kollektorwiderstand die Sperrspannung der an die Heizwiderstände
9R1 bzw. 9R2 angeschlossenen Zenerdioden 9Z1 bzw. 9Z2 übersteigt, fließt durch den
zugehörigen Heizwiderstand 9R1 bzw. 9R2 Strom. Durch geeignete Dimensionierung kann
erreicht werden, daß erst dann ein 2tromfluß durch die Widerstände 9R1 bzw. 9R2
und damit eine Erwärmung des zugehörigen Transistors erfolgt, wenn die auf den Verstärkereingang
bezogene Drift einen bestimmten.Betrag überschreitet, beispielsweise größer wird
als 1 Mikrovolt. Durch eine solche "Totstrecke" kann mit Sicherheit vermieden werden,
daß ein Überregeln einer Abweichung eintritt. Die Gefahr einer Überregelung ist
aber auch deshalb bereits gering, weil die Heizleistung, mit der -je nach Vorzeichen
der Drift einer der Transistoren 9T1 bzw. 9T2 erwärmt wird, vom Quadrat der Abweichung
der Ausgangspannung an 7A abhängt, so daß der angestrebte Nullpunkt mit sehr flacher
Kurve angesteuert wird: Wegen der großen Zeitkonstanten der Anordnung bleibt dieser
in den Rechenpausen vollzogene Nullpunktabgleich während der Rechenoperation relativ
lang erhalten. Die zum Verstärkerabgleich notwendige Temperaturänderung eines der
Transistoren 9T1 bzw. 9T2-ist- in der Größenordnung von 0,10C.
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Wenn die Rechenzeiten eines Operationsverstärkers gemäß Fig. 8 so
groß werden, daß während dieser Rechenzeiten. trotz Nachstimmung Drifterscheinungen
merkbar werden, so ist es zweckmäßig, eine zusätzliche Temperaturstabilisierung
der Kollektorausgangsspannung der einzelnen Differenzverstärkerstufen vorzusehen.
Dies wird z.B. im ersten Differenzverstärker durch den Widerstand 9R7 erreicht,
der
zwischen Emitter und Basis des Transistors 9T2 liegt. Durch den Widerstand 9R7 wird
die temperaturabhängige Kollektorstromänderung des Transistors 9T2 durch Mitkopplung
vergrößert, wodurch der Kollektorstrom des Transistors 9T1 durch Gegenkopplung über
den gemeinsamen Emitterwiderstand 9R4 stabilisiert wird. In gleicher Weise wird
die Kollektorspannung des Transistors 9T3 bzw. 9T5 durch die Mitkopplungswiderstände
9R8 bzw. 9R9 stabilisiert, die zwischen Basis und Emitter der Transistoren 9T4 bzw.
9T6 liegen. Wenn die Auskopplung am Transistor 9T2 erfolgt, dann muß selbstverständlich
statt des Widerstandes 9R7 (9R8 bzw. 9R9) ein entsprechender Widerstand zwischen
Emitter und Basis des Transistors 9T1 (9T3 bzw. 9T5) liegen.
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Die zweckmäßigste Größe der Widerstände 9R7, 9R8 und 9R9, bei der
man für die Kollektorströme der Transistoren 9T1, 9T3 und 9T5 die beste Stabilität
erreicht, läßt sich mathematisch ableiten. für die erste Differenzverstärkerstufe
er-
| gibt sich bei üblicher Dimensionierung 9R2-,# p 289R4, worin |
| i3 2 die Stromverstärkung des Transistors 9T2 ist. Die Be- |
| rechnung von 9R8 und 9R9 ist entsprechend. |
In Fig. 9 ist eine Integrierschaltung mit einem Operationsverstärker nach Fig. 8
dargestellt. Die Integrierschaltung besteht aus dem eigentlichen Operationsverstärker
10Y1, einem Stabilisierungsverstärker 10Y2, der in Fig. 8 als Differenzverstärker
mit den beiden Transistoren 9T8 und 9T9 dargestellt ist,
sowie einem Integrierkreis
aus einem Kondensator
100 und einem damit in Reihe schaltbaren Wideratand
10R1. Der Widerstand 10R1 ist gleichzeitig der Basiswiderstand für den Eingangstransistor
des Verstärkers 10Y1, also der Basiswiderstand des Transistors 9T1 in Fig. B. Die
dargeste11te2Schalter dienen zum Einschalten des Integrators zum gewünschten Zeitpunkt,
wie bei Integrierschaltungen bekannt.
im Betrieb nehmen sie die
dargestellte Stellung ein. Im Betrieb liegt der Eingangswiderstand des Verstärkers
10V1, also des Transistors 9T1, dem Kondensator 10c0 parallel, so daß Integrierfehler
entstehen: Um diese zu beseitigen ist an dem an den Ausgang des Operationsverstärkers
10V1 angeschlossenen Anschluß d.es Kondensators 10C ein Spannungsteiler aus zwei
Widerständen 10R2 und 10R3 angeschlossen, an dessen Abgriff der Basiswiderstand
des Transistors (z.B. 9T2) der Eingangsschaltung des Verstärkers 10V1 angeschlossen
ist, der normalerweise auf festem Potential liegt. Der Widerstand ist in Fig. B
mit 9R10 bezeichnet und ist deshalb in Fig. 9 ebenfalls so identifiziert worden.
Dieser Spannungsteiler 10R2 - 10R3 bewirkt eine Mitkopplung auf den zweiten Zweig
des Verstärkers 10V1, durch die der Eingangswiderstand im ersten Zweig, d. h. der
Eingangswiderstand des ganzen Verstärkers, unendlich wird, so daß der Integrierfehler
beseitigt wird. Wesentlich ist, daß die Mitkopplung auf einen anderen und gegenphasig
liegenden Zweig des Verstärkers wirkt als die Gegenkopplung über den Integrierkondensator
und daß sie mit der Gegenkopplung über den Integrierkondensator gemeinsam ein- und
ausgeschaltet wird. In Rechenpausen wird der Verstärker 10V1, wie in Verbindung
mit Fig. 8 beschrieben, durch den Verstärker 10V2 bei evtl. Drifterscheinungen wieder
auf seinen Arbeitspunkt geregelt. Durch die Erfindung ist also eine Anordnung verfügbar
gemacht worden, durch die sich je nach Leistung der Wärmequelle und der Wärmekapazität
und dem Wärmewiderstand der ganzen Anordnung lineare oder quadratische Verzögerungen
bis zu mehreren Minuten zwischen dem Auftreten eines Signals und der Herstellung
eines hierdurch hervorzurufenden Schaltzustandes einer Schaltungsanordnung bewirken
lassen. Gewünschtenfalls kann
zusätzlich die Totzeit ebenfalls
mehrere Minuten betragen. Ferner sind verschiedene Anwendungen einer solchen Anordnung
gezeigt worden, die ihre Verwendung nicht nur zur Verzögerung sondern auch bei langsam
und behutsam vorzunehmenden Regelaufgaben veranschaulichen, die bisher wegen Mangel
an Elementen mit genügend großen Zeitkonstanten nicht gelöst werden konnten.