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Llektronischer Umschalter Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen
Umschalter des Typs, in dein Schaltzustände von Schwinr- und Nichtschwingzuständen
eines Schwingungserzeugers bestimmt werden.
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i)ie bischer bekannten Vorrichtung dieser Art enthalten mancherlei
Mängel, die auf Umständlichkeit ihres Aufbaues, der Unmöglichkeit, diese in elektronische
Schaltungen, vorzugsweise in integrierter Bauweise einzusehen, kurzer Lebensdauer,
unzureichendem Auflösungsvermögen in bezug auf Änderungen im Signal, allgemein mechanische,
in der Steuerung dieser, @@ @@ derem Unvermögen, auf mit hoher Frequenz aufeinan-@@
@o] ende Steuersignale anzusprechen, beruhen. Um am ang dieser bekannten Vorrichtungen
zwei durch einen Bestimmken Spannungssprung unterschiedene Signalpegel zu erhalten,
ist es erforderlich, mehr oder weniger komplexe Diodenschaltungen einzufüngen, die
demzufolge einen Aufwand an Bauteilen und eine Verzögerung des Umschaltens nachsichziehen.
Darüber hinaus wirkt in den bekannten Schaltern, die
einen. steuerbaren
Schwingungserzeuger verwenden, um zwei gut differenzierte Pegel des Ausgangssignals
zu erhalten, die Änderung des Q-Baktors der Schaltung nicht unmittelbar auf die
Änderung des Pegels vom Ausgangssignal selbst ein, aus welchem Grund bei diesen
Vorrichtungen Mangel an Schaltschnelligkeit und Wirkungsgrad zu beobachten ist.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Nachteille zu beheben.
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Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäss in der Hauptsache vorgeschlagen,
dass der Schaltkreis einen Transistor g und eine Induktivität oder Spule L und eine
Kapazität oder Kon.densator C, die zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors
in Reihe geschaltet sind, umfasst, und dass ein Rückkopplungselement D parallel
zu dem Kondensator G angeordnet ist, um die an der Basis des Transistors auftretenden
periodischen Signale dem Emitter zurückzuführen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung
näher erläutert.
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Darin zeigen: Fig. 1 ein Schaltschema des erfindungsgemässen Umschalters
und Fig. 2a, drei vorgeschlagene Bauausführungen der 2b, 2c
veränderbaren
Induktivität.
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Der Schaltkreis nach Fig. 1 enthält einen einzigen Transistor T, der
mit einer einzigen Spannung V gespeist wird, deren Wert innerhalb der Grenzen der
zulässigen Betriebswerte des verwendeten Transistors T geändert werden kann und
die beispielsweise auf einem Absolutwert von 20 Volt festgesetzt sein soll.
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Die Spannung V speist den Emitter eines Transistors T, der sowohl
vom p-n-p-Typ (wie in der Zeichnung) als vom n-p-n-Typ beliebigen Aufbaus sein kann,
über einem Vorwiderstand Re.
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Zusätzlich zur Funktion, dem Emitter eine Spannung zuzuführen, bildet
Re den Weg, über den eine Kapazität oder Kondensator C aufgeladen wird. Dieser Kondensator
C wird über die Emitter Basis-Strecke des Transistors T entladen, wenn in dieser
eine Phasenlage besteht, die die Wiederholung des Jade- und Entladevorganges dieses
Kondensators C erlaubt. Diese Phasenbedingungen werden von einer in Serie mit der
Basis des Transistors T liegenden veränderbaren Induktivität geschaffen. Die veränderbare
Induktivität kann jegliche Form, Grösse und bauliche Gestaltung entsprechend den
Erfordernissen ihrer Anwendung aufweisen. Es kann ganz allgemein gesagt werden,
dass die Variation der Induktivität erreicht wird durch die bauliche Gestaltung
der Spule, indem ein ferromagnetischer Bauteil von äusserst lçleinen Dimensionen,
z.B. ein Bauteil mit einem Volumen kleiner als 1 mm5, dieser naher oder in diese
eingebracht wird, woraus zu entnehmen ist, dass die Vorriohtung in der Lage ist,
ferromagnetische Teile mit sehr weit
veränderbaren Dimensionen auf
weit veränderbare Entfernungen nachzuweisen. Das ferromagnetische Material kann
aus einem Stück bestehen oder die Form eines elektroplattierten Überzuges oder eines
im Vakuum hergestellten Niederschlages auf einem Metallträger oder Plastik beliebiger
Art haben.
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Im besonderen (Fig. 2a) kann die Induktivität einfach aus einem zu
einer Spule gewundenem Leiter a geformt sein, in die ein Steg b aus ferromagnetischem
Material eingetaucht ist, der somit eine Reduktion des Induktivitätswertes bewirkt,
während die Zurücirnahme des Steges den ursprünglichen Induktivitätswert wiederherstellt.
Eine andere Bauart des von einer Induktivität nach Big. 2b gebildeten Detektorelementes
wird erhalten durch. Aufwickeln einer Spule d auf einem Steg e aus Ferroxcube wobei
die Windungen äusserst eng und auf das Ende dieses Steges konzentriert sind, um
damit ein hohes Auflösevermögen zu erhalten. Ein bewegliches Element, das mit der
Spule d elektromagnetisch gekoppelt ist indem es näher an diese bewegt wird, kann
aus Weicheisen bestehen und ist in der Zeichnung als mit Zähnen versehenes Rad f
dargestellt. Eine weitere Bauart für das Detektorelement wird nach Fig. 2c erhalten,
indem eine Spule g um einen Kern h vom Typ für magnetische Speicher, der aus Ferroxcube
hergestellt und mit einem Einschnitt versehen ist , in dem sich ein Element 1, beispielsweise
ein gezahntes iad, bewegt.
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In dem Schaltkreis nach Fig. 1 wird das an der Basis des Transistors
T auftretende und dank des Vorhandenseins des Kondensators C und der Induktivität
L im Zustand der Nichterfassung w.nn wenn das ferromagnetische terial von der Induktivität
entfern
ist) aufrechterhaltene periodische Signal mit einem Kondensator Cb über eine Diode
D, die in der angegebenen RichtunC gepolt ist, auf den Emitter des Transistors T
zurückgekoppelt. Zwischen dem Punkt E und dem Kollektor des Transistors T ist eine
Zener-Diode eingefügt, die den statischen Arbeitspunkt der Schaltung stabilisiert.
Das Ausgangseignal Vu wird an einem Kollektor-Ausgangswiderstand Ru abgenommen,
der die Funktion der Speisung der Kollektor-Basis-Strecke des Transistors T hat,
wobei dieser für einen vorgegebenen Wert des Emitter-Vorwiderstandes und wibrend
ein Kondensator Cu die periodischen Ausgangssignale glättet, als ein Integrator
funktionisiert.
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Nunmehr soll die Arbeits- oder Wirkungsweise der Schaltung nach Fig
1 beschrieben werden.
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In der Annahme, dass die Induktivität L im Zustand der Nichterfassung
ist, liegt der Aus-Zustand vor, in dem die Induktivität L, die wie dargelegt, in
der verschiedansten Bauart ausgeführt sein kann, nicht magnetisch gekoppelt ist'
mit dem beweglichen Teil, der die Umschaltung besorgt. Um Schwingungen am Emitter
des Transistors T zu erhalten, ist es als Bedingung für ihr Auftreten erforderlich,
dass hinter den Punkten F-E eins Impedanz vorhenden ist, die aus einem negativen
Widerstand und einer positiven Reaktanz, d.h. durch eine Induktivität, gebildet
ist.
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Eine Untersuchung der äquivalenten Schaltung hinter den Funkten
F-E
ergibt, dass die gleichzeitigen Bedingungen fUr negativen Widerstand und positive
Reaktanz nur und nur dann auftreten, wenn die dynamische Kapazität Cc (nicht dargestellt)
zwischen dem Kollekter und der Basis unter einem bestimmten Wert liegt, der von
den Kennlinien des verwendeten Transistors abhängt, und dann nur dann, wenn der
Wert der Induktivität L einen bestimmten Wert übersteigt, der in gleicher Weise
von den genannten Kennlinien abhängt. Diese beiden Bedingungen können mit einem
beliebigen Transistor erreicht werden, index der Wert der Induktivität L, wie zum
Beispiel von einigen wenigen Tausenden eines µH bis zu mehreren Hundert mH geändert
werden. Im besonderen muss auch vorausgesetzt werde dass die Kollektor-Basis-Strecke
nicht auf einen lawinenartig ansteigenden Ladestrom gebracht wird, d.h., dass der
Stromverstärkungsfaktor des verwendeten Transistors unter Eins bleibt.
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Das Zusammenwirken eines negativen Widerstandes und eines induktiven
Blindwiderstandes hinter dan Punkten F-E in dem Schaltkreis nach der Erfindung mit
der dynamischen Kapazität zwischen dem Emitter un der Basis, unterstützt durch einen
recht kleinen Kondensator C zwischen den Funkten F-E, bildet einen Schwingungserzeuger.
Danzufolge wird unter dissen Badingungen, wie schon dargelegt, der Kondensator C
über den Widerstand Re aufgeladen und durch die Emitter-Basis-Strecke das Transistors-T
entladen, und dass an der Basis des Transistors dank der Kapazität C und der Induktivität
L auftretende periodische Signal wird
auf den Emitter mittels der
Diode D zurückgeführt (gekoppelt).
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Die Negative-Rück-kopplungs-Funktion der Diode D fördert die Stromzunahme
zum Emitter und folglich zum Kollektor, so dass der Wert der direkten Ausgangsspannung
Vu an dem Widerstand Ru recht hoch ist. Bei den noch später angegebenen Werten für
die Bauteile beträgt die Spannung Vu im Aus zu stand der Nicht erfassung (Nichterregung)
der Induktivität L ungefähr 12 Volt Gleichspannung. An dem Widerstand Ru tritt ein
kontinuierliches Signal auf, weil der Kondensator Cu die periodischen Signale glättet.
Darüber hinaus hat der 1tondensator Cu die Funktion, die hochfrequenten Störungen
zu beseftigen, die dann entstehen können, wenn eine Anzahl von Umschaltern in der
Art nach der Erfindung dicht aneinander angeordnet sind.
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Sobald eine Änderung im Erfassungszustand (Einzustand) eintritt, das
ist der Fall, wenn die Induktivität L mit einem beweglichen Kern magnetisch gekoppelt
ist, werden die zur sicheren Selbstaufra erhaltung des Lade- und Entladevorganges
des Kondensators C notwendigen Phasenbedingungen fehlen.
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Als Folge der Unwirksamkeit des Kondensators C, tritt eine Verminderung
im Stromverbrauch des Transistors T ein, welche Verminderung am Ausgang sich in
einem Absinken des kontinuierlichten Pegels der Spannung Vu auswirkt. Unter diesen
bedingungen ist es die lFunlttion der Zener-Diode, den Pegel von Vu festzulegen.
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Unter den Nicht-Schwingbedingungen hat die Ausgangs spannung Vu
einen
Wert sehr angenähert gleich (V-Vz) Ru (worin Re + Ru Vz die Zener-Spannung der Zener-Diode
ist), d.h. für die Werte der nachstehend genannten Bauteile beträgt die Spannung
Vu ungefähr 3 Volt Gleichspannung. Wegen ihrer besonderen Kennlinie bewirkt die
Zener-Diode noch einen hohen Wert des Basisstromes des Transistors T zustandezubringen,
der einen Betrag von angenähert ####### erreicht.
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Dieser hohe Wert des Basisstromes fördert die Wiederherstellung der
Schwingungen, sobald der die Induktivität L bildende Wert der Spule auf seinen Anfangswert
zurückkehrt, wenn das bewegliche Element von ihr weg bewegt wird. Während des Ueberganges
vom Ein-Zustand der Erregung durch das beweglich-e Element in den Aus-Zustand der
Nichterregung und umgekehrt hat die Diode D, die über Mittlertätigkeit der Kapazität
Cb periodisch eine negative Rückkopplung sicherstellt, die Funktion; eine augenblickliche
Aufrechterhaltung oder Löschung der Schwingungen in der vom Kondensator C und der
Induktivität L gebildeten Schaltung sicherzustellen, welche Funktion sich in einer
ansteigenden oder fallenden Kante des kontinuierlichen Ausgangssignals vQn weniger
als 100 Nanosekunden, im Fall dass für den Transistor T ein solcher für sehr hohe
Frequenzen verwendet wird, offenbart.
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Es ist aus der Beschreibung der Arbeitsweise des Umschalters nach
Fig. 1 ersichtlich, .dass die Werte der Schaltungsbauteile innerhalb eines gut-überlegten
Bereiches liefer müssen.
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Im besonderen kann der Kondensator C nicht extrem klein sein,
da
andernfalls die änderungen im Verbrauch des Transistors T geringfügig werden, und
auch nicht sehr geoss sein, da andernfalls die Lade- und Entlade-Zeitkonstante der
Kapazität C zunimmt und die Schaltung nicht mehr in der Lage ist, mit hoher Frequenz
aufeinanderfolgenden Steuersignalen zu folgen.
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Die Zeitkonstante der Aufladung der Kapazität C wird also bestimmt
durch den Widerstand Re, der dazu dient, den Emitter dauernd zu speisen. Der Widerstand
Re muss nicht zu l.lein sein, weil in diesem Fall der Transistor T nicht unter den
richtigen Einspeisebedingungen steht, und muss nicht zu gross sein, weil die Zeit-Konstante
der Aufladung des Kondensators C zunimmt, so dass die Vorrichtung nicht länger in
der Lage ist, den Steuersignale bei hoher Folgefrequenz zu folgen.
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Darüber hinaus offenbart sich der Einfluss d s Ausgangswiderstandes
Ru in dem Wert, der vorausgesetzt ist durch die Gleichspannung sowohl im Ein-Zustand
als auch im Aus-Zustand, und desweiteren liat der Widerstand Ru die Funlrtion, die
Kollektor-Basis-Strecke des Transistors T einzuspeisen. Deshalb muss der Widerstand
Ru ebenfalls in einem bestimmten Wertbereich lieÜ;en. Tatsächlich sind oberhalb
eines gewissen Grenzwertes, der vom T des Transistors abhängt, die Basis-Kollektor-Strek
ke und die Zener-Diode Z nicht korrekt eingespeist und als Folge hiervon tritt eine
beliebige Veräderung im Pegel der Ausgangsspannung während des Wechsels vom Ein-Zustand
in den Aus-Zustand iind uingokehrt nicht länger sein. Es gibt deshalb einen optimalen
Wert für den Widerstand Ru, falls alle der anderen Schaltungselemente und auch die
Einspeisespannung auf festem Wert gehalten werden, so dass eine
maximale
Variation im Spannungspegel beim Wechsel vom Einzustand in den Aus-Zustand und umgekehrt
auftritt. Es ist offensichtlich, dass der Spannungspegel sowohl im-EIn-Zustand als
auch im Aus-Zustand um so höher ist, je grösser der Widerstand Ru ist.
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Der niedrige Wert von Ru stellt eine niedrige Ausgangsimpedanz sicher,
die nur 100 Ohm sein kann und die jedenfalls unter 1000 Ohm bleibt, so dass die
Vorrichtung unmittelbar in elektronische Schaltungen eingefügt sein kann mit der
Fähigkeit, z.B. Schaltfunktionen auszuführen.
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Die beiden Pegel von + 12 Volt und + 3 Volt, die voneinander wie dargelegt
durch eine steile Kante oder Flanke getrennt sind, können deshalb unmittelbar als
logische Pegel oder Stufen ohne die Notwendigleit einer Gleichrichtung benutzt werden.
Es ist möglich, den 3-Volt-Pegel.
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der das logische Nullsignal ausdrücken soll, auf 0 Volt zu bringen,
indem in einfachster Weise eine andere Zener-Diode K in Reihe mit der Ausgangsklemme
M, wie in der Zeichnung gestrichelt dargestellt, einzufügen. Das gleiche Ergebnis
wird bei der Verwendung einer getrennten Speisespannung erhalten.
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Darüber hinaus kann die sich aus der vorliegenden Erfindung ergebende
Vorrichtung sehr wirksam angewendet werden um den Ausschaltkontakt in normalen elektrischen
Zündschaltungen für Fahrzeugantriebsmotoren zu ersetzen, ohne dass irgend
eine
Änderung oder ein Hinzufügen von weiteren Bauteilen vorzunehmen ist, wobei diese
vorgeschlagene Vorrichtung eine grössere Zuverlässigkeit im Betriebsverhalten und
eine längere Lebensdauer hat.
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Mögliche Werte der Bauteile nach Fig. 1 sind z.B.: V - + 20 V T =
1 W 9148 SGS Re = 120 Ohm C = 100 pF Cb = 1000 pF Cu = 0.05µF D - Philips-Diode
C095 v 11 15 V Ru - 100 - 2700 Ohm Patent ansprüche: