DE1947276B2 - Monostabile Kippstufe mit großer Eigenzeitkonstante und kurzer Erholzeit - Google Patents
Monostabile Kippstufe mit großer Eigenzeitkonstante und kurzer ErholzeitInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung ist eine monostabile Kippstufe mit großer Eigenzeitkonstante und kurzer
Erholzeit, mit zwei Kippstufentransistoren, deren Aus- und Eingänge kreuzweise miteinander gekoppelt sind,
wobei der eine Koppelzweig ohmisch ist und der andere Koppelzweig einen Serien-Kondensator in Serie mit
einer transistorisierten Verstärkerstufe enthält
Monostabile Kippstufen mit relativ langer instabiler Phase oder großer Eigenzeitkonstante sind z. B. aus der
Zeitschrift »Electronics«, 1960, Seite 58, bekannt Dort wird eine relativ hohe Betriebsspannung an die
zeitbestimmenden ÄC-Glieder angelegt, woraus sich
zwar eine große Zeitkonstante, aber auch eine recht lange Erholzeit nach dem Zurückkippen in die
Ausgangslage aufgrund eines Löschimpulses ergibt. Noch deutlich längere Zeitkonstanten lassen sich
erreichen, wenn man in den kapazitiven Koppelzweig der Kippstufentransistoren Feldeffekttransistoren einfügt,
wie dies in der Zeitschrift »Electronics«, 1967, Seite
105, für astabile Kippstufen gezeigt ist. Ein Nachteil, der erst bei monostabilen Kippstufen in Erscheinung tritt,
liegt in der außerordentlich langen Erholzeit derartiger Schaltungen. Schließlich ist aus der DE-AS 1216 924
eine monostabile Kippstufe bekannt, die im kapazitiven Koppelzweig einen oder zwei Transistorverstärkerstufen
enthält, so daß sich eine um den Verstärkungsgrad dieser Stufen erhöhte Eigenzeitkonstante ergibt Auch
hier ist jedoch die Erholzeit nach erzwungener Rückstellung unerwünscht lang.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine monostabile Kippstufe anzugeben, mit der eine Impulsbreite von bis
zu 10 s erreichbar ist und die trotzdem eine kurze Erholzeit aufweist. Diese Aufgabe wird durch die in
Anspruch 1 gekennzeichnete Kippstufe gelöst.
Die Erfindung wird nun anhand zweier Ausführungsbeispiele
mit Hilfe der Zeichnungen näher erläuteirt
F i g. 1 ist der Stromlaufplan einer erfindungsgemäßen Kippstufe und
F i g. 2 zeigt ein weiteres Schaltbild einer erfindungsß
Kif
In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Kippstufe aus zwei Transistoren TR1 und
77? Z Der zeitbestimmende Koppelzweig mit einem Kondensator C hat zwei Transistoren TR 3 und TR 4
sowie einen Feldeffekttransistor TEC. Die gesamte Schaltungsanordnung hat zwei Ausgänge 5b und S\.
Während der stabilen Schaltperiode berindet sich der Ausgang So im Zustand ο und der Ausgang Si im
Zustand 1. Der Ausgang So im Zustand 1 und der Ausgang S\ im Zustand 0 kennzeichnen die astabile
Schaltperiode der Vorrichtung. Die Anlage eines positiven Impulses an den Eingang E\ bringt die
Kippstufe vom stabilen in den astabilen Zustand; dieser hält so lange an, bis die Zeitkonstante abgeklungen ist
Durch Anlegen eines positiven Impulses an die Leitung ßZkann die sofortige Rückkehr in den stabilen Zustand
erfolgen.
Im folgenden wird die Vorrichtung im einzelnen beschrieben:
Die Emitter der Transistoren TA 1 und TR 2 vom Typ
pnp liegen an einer gemeinsamen Klemme, die einerseits am positiven Pol + eund andererseits an zwei
Widerstände R1 und R 2 angeschlossen ist; das andere
Ende von R1 liegt an der Basis des Transistors 77? 1 und
das andere Ende von Λ 2 an der Basis des Transistors TR 2. Die Basis des Transistors TR1 ist ferner an die
Leitung RZ und über die Zener-Diode ZN2 an den Kollektor des Transistors TR 4 und den Widerstand R 4
angeschlossen. Die Basis des Transistors TR 2 liegt an der Leitung Ei und über die Zener-Diode ZN 1 am
Kollektor des Transistors TR1. Dabei ist die Anode der
Zener-Diode ZNi mit dem Kollektor des Transistors
TR1 verbunden. Der Kollektor des Transistors TR1 ist
ferner an den Ausgang Sb und über eine Diode D 7 und einen Widerstand A3 an den negativen Pol — e
angeschlossen. Der Kollektor des Transistors TR 2 liegt am Ausgang Si, am negativen Pol -e über eine
Entkopplungsdiode D 8 und einen Widerstand R 4, an einem Belag des Kondensators C und über einen
Widerstand /?5 am negativen Potential -u, dessen absoluter Wert kleiner als e ist. Der andere Belag des
Kondensators C ist einerseits mit der Anode der Diode D und andererseits über einen Widerstand R 6 mit dem
positiven Pol + e verbunden. Die Kathode der Diode D liegt am Emitter des Transistors TR 3 vom Typ pnp. Die
Basis dieses Transistors ist an das negative Potential — u angeschlossen, dessen absoluter Wert kleiner als
derjenige von e ist.
Der Kollektor des Transistors TR 3 liegt einerseits über einen Widerstand R 7 am negativen Pol - e und
andererseits am Gitterndes Feldeffekttransistors TEC.
Bekanntlich verhält sich dieser wie eine Festkörpertriode ohne Heizung, wobei d, als Abfluß, die Anode, und s,
als Quelle, die Kathode darstellen; der Pol d des Feldeffekttransistors TEC liegt an einem Widerstand
Ri und der Pol s am oben bezeichneten negativen Potential - u. Das andere Ende des Widerstandes R 8 ist
einerseits an die Basis des pnp-Transistors TRA und andererseits über einen Widerstand /?9 an den
positiven Pol +e angeschlossen. Der Emitter des Transistors TR 4 liegt am positiven Pol +e. Der
Kollektor des Transistors 77? 4 ist über die Zener-Diode ZN'λ mit der Basis des Transistors TR i und über den
Widerstand /?4 mit dem negativen Pol — e verbunden; die Anode der Zener-Diode ZN2 liegt am Kollektor des
Transistors TR 4.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung arbeitet
wie folgt:
Der Transistor 77? 3 ist ständig leitend, da das über
den Widerstand R 6 und die Diode £> gelieferte positive
Potential + e seines Emitters höher ist als das an seiner Basis liegende negative Potential — u; der Kollektor des
Transistors weist somit das Potential — u auf, das ebenfalls das Potential des Gitters g des Feldeffekttransistors TECist
Da die Quelle s des Feldeffekttransistors TEC am Potential — u liegt, entsteht keine Sperrspannung an der
»Quelle-Gittere-Diode, und der Feldeffekttransistor ist
leitend; am Pol d liegt annähernd das gleiche Potential -u. Andererseits hat das Potential der Basis des
Transistors TR 4 in Abhängigkeit von den Widerständen R 8 und R 9 einen Wert zwischen — u und + e. Da
dieses Potential zwangsläufig niedriger ist als das Potential + e seines Emitters, ist der Transistor TR 4
auch leitend. Das Potential des Kollektors TR 4, dessen Wert etwa wie + e ist, liegt auch an einer Elektrode der
Zener-Diode ZN 2, deren andere Elektrode über den Widerstand R1 am Pol +e liegt Ober die Diode ZN 2
und den Widerstand R1 kann also kein Rückstrom
fließen, und die Basis des Transistors 77? 1 liegt daher am gleichen Potential +e wie der Emitter. Der
Transistor TR1 ist gesperrt, und der Ausgang So erhält
Potential, das durch den Spannungsabfall im Widerstand R 3 bestimmt wird, und zwar aufgrund des Sperrstroms
im Stromkreis: Widerstand A3, Zener-Diode ZNi und
Widerstand R 2 parallel zum Widerstand des Basis-Emitter-Überganges von TR 2. Der Sperrstrom gibt auf
die Basis von 77? 2 ein Potential, das negativer ist als das Emitter-Potential + e. Der Transistor TR 2 ist leitend,
und der Ausgang S1 befindet sich im Zustand 1, d. h„ er
hat im wesentlichen das Potential + e. Der obere, mit
dem Kollektor von TR 2 verbundene Belag des Kondensators C weist also im wesentlichen ebenfalls
das Potential +e auf. Andererseits liegt der untere Belag des Kondensators C an einem Potential von im
wesentlichen — u, das von der Basis des Transistors
TR 3 und der Diode D kommt Der Kondensator C liegt daher an der Spannung, deren absoluter Wert kleiner als
e ist, und durch den Widerstand 775 fließt ein bestimmter Strom.
Zum Übergang in den astabilen Zustand wird kurzzeitig ein positives Potential + e an den Eingang
E1 gelegt, wodurch der Transistor TR 2 sperrt; Basis
und Emitter liegen dabei am gleichen Potential. Auf den so oberen Belag des Kondensators C gelangt das Potential
-u über den Widerstand R 5. Hierdurch wird eine Veränderung des Bezugswertes bewirkt, und am
unteren Belag des Kondensators C tritt das Potential -Iu auf. Der Basis-Emitter-Übergang des Transistors
TR 3 in Reihe mit der Diode D wird somit in Sperrichtung vorgespannt (das Basispotentiai ist höher
als das Emitterpotential), und der Transistor TR 3 sperrt Die Diode D dient dazu, die Sperrspannung an
den Klemmen des Basis-Emitter-Übergangs des Transistors TR 3 zu begrenzen. Der Kondensator C entlädt
sich in den Widerstand R 6; dieser Zustand hält so lange an, wie am Belag von C ein Potential von weniger als
- u liegt, d. h. zwischen — 2u und — u. Die Widerstände
R 6 und R 7 können übrigens sehr groß sein, denn der Feldeffekttransistor ist »spannungs«-und nicht stromgesteuert. Da der Transistor TR 3 gesperrt ist, wird das
Potential -üam Gitterndes reldeffekitransistörä TEC
unterdrückt, und über den Widerstand Rl gelangt zu
ihm das Potential — e-, hierdurch wird der »Gitter-Quelle«-Übergang in Sperrichtung derart vorgespannt, daß
der Abflußstrom der Leitung d auf Null absinkt Der
Feldeffekttransistor TEC sperrt, und da an der Basis des Transistors TR 4 das gleiche Potential wie am Emitter
liegt sperrt dieser ebenfalls. In dem aus R 4, ZN 2 und R1 bestehenden Stromkreis tritt ein Strom auf, der an
der Basis des Transistors TR 1 ein Potential erzeugt das niedriger als das Potential +e des Emitters ist Der
Transistor 77? 1 wird leitend. Am Ausgang So tritt ein
Potential von etwa -f-e auf, so daß der Zustand 1
hergestellt wird. Die Basis des Transistors TR 2 erhält das Potential +e; das demjenigen des Emitters
entspricht und 77? 2 bleibt weiter gesperrt Der Ausgang Si liegt am negativen Potential — u, das über
den Widerstand Ti 5 zugeführt wird.
Somit ist der astabile Zustand dadurch gekennzeichnet daß sich der Ausgang So im Zustand 1 und der
Ausgang S\ im Zustand 0 befindet Dieser Zustand ist astabil, da er von der Entladezeit des Kondensators C
abhängt Der Widerstand R 6 kann einen sehr großen Wert und eine hohe Zeitkonstante aufweisen und
braucht während des stabilen Zustandes keinen Steuerstrom wie für eine herkömmliche monostabile
Kippstufe zu liefern.
Sobald das Potential des unteren Belags des Kondensators C einen Wert von mehr als — u erreicht
also einen absoluten Wert der kleiner als der absolute Werf von u ist, und der Basis-Emitter-Übergang des
Transistors TR 3 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist wird der Transistor 77? 3 leitend; hierdurch gelangen
der Feldeffekttransistor TEC und der Transistor 77? 4 auf die gleiche Weise in den leitenden Zustand wie dies
hinsichtlich des stabilen Zustandes beschrieben wurde.
Der Transistor TR1 sperrt und der Transistor TR 2
wird leitend; das an El liegende positive Potential hat bereits ausgesetzt, nachdem TR 1 im astabilen Zustand
leitend wurde. Der Ausgang So befindet sich erneut im Zustand 0, und der Ausgang S1 im Zustand 1: dies
kennzeichnet den stabilen Zustand. Der Kondensator lädt sich über folgenden Stromkreis auf: + e, Transistor
TR 2, Kondensator Q Diode D, Transistor TR 3 und
Spannung — u an der Basis von TR 3.
Die Rückkehr in den stabilen Zustand kann außerdem dadurch erfolgen, daß ein positives Potential +e
während der astabilen Schaltperiode auf die Leitung RZ gegeben wird, nachdem das Potential an Ei unterdrückt
wurde. Durch Sperrung von Γ7? t bewirkt dieses Potential die vorzeitige Rückkehr der Vorrichtung in
den stabilen Zustand. In diesem Fall entlädt sich der Kondensator C nicht vollständig, und der Punkt A weist
noch nicht ein Potential von mehr als — u auf, um 77? 3 leitend zu machen. Nach der Impulsgabe auf die Leitung
RZ und nachdem TR 2 leitend geworden ist, gibt der Kondensator C, an dessen oberen Belag das Potential
-t-e liegt, einen positiven Impuls auf den durch den
Widerstand /?6 gebildeten Entladestromkreis ab; hierdurch wird TR 3 wieder leitend, und der beschriebene stabile Zustand ist erneut erreicht.
Im übrigen kann das Potential — u, wobei \ u\ <
\ e\ der gleichen Quelle entnommen werden wie e, da das positive Bezugspotential gemeinsam ist. Wenn die
Spannungs-Queiien u und e nicht die gleichen sind,
müssen sie einen gemeinsamen positiven Pol haben.
Es sind ebenfalls zu beachten, daß der Transistor 77? 3 nicht unbedingt notwendig ist; der untere Kondensatorbelag
C(Punkt AJ könnte unmittelbar an das Gitter des Feldeffekttransistors TEC angeschlossen werden. Der
Wert des Sperrspannungs-Gefälles, das an den Klemmen des »Gitter-Quelle«-Überganges des Feldeffekttransistors
TEC vorhanden sein muß, um den Abflußstrom zu unterdrücken, ist nicht genau und schwankt oft
von Fall zu Fall. Daher kann das Ende der astabilen Schaltperiode, an dem der Feldeffekttransistor TEC
erneut leitend wird, in einem zu großen Zeitbereich eintreten. Um in der Serienfertigung die unerläßliche
Genauigkeit der Vorrichtung zu gewährleisten, wurde der Transistor TR 3 hinzugefügt; dieser soli den
Zeitpunkt bestimmen, an dem das Potential des unteren Kondensatorbelages mindesetns gleich dem Potential
-u der Basis wird, d.h. gleich dem Potential der Stromquelle des Feldeffekttransistors, der den Sättigungszustand
kurzzeitig erreicht und nicht durch die Abnahmeänderung des Potentials des unteren Kondensatorbelages
beeinflußt wird.
Fig.2 zeigt einige praktische Verbesserungen der Erfindung gemäß Fig. 1, die im Prinzip jedoch nicht
geändert wurde. Gleiche Teile in F i g. 2 haben somit die Bezugszeichen aus Fig. 1. Die wesentlichen Änderungen
sind folgende:
Da die Feldeffekttransistoren keine Sperrspannung von mehr als 2u aushalten, wurde eine Spannungsquelle
- u vorgesehen, die an der Basis des Transistors TR 3 liegt, wobei eine einzige allgemeine Speisespannung
(— e, + e) beibehalten wurde.
Die Spannungsquelie - u besteht aus den beiden in Reihe liegenden Zener-Dioden ZN3 und ZNA. Jede
Diode hat eine Spannung u/2 und liegt mit dem Widerstand R 10 in Reihe; der dem Widerstand R 10
und der Diode ZN 3 gemeinsame Punkt ist mit der Basis
des Transistors 77? 3 verbunden. Der negative Pol — e liegt am anderen Ende des Widerstandes R 10 und der
positive Pol + e an der Kathode der Diode ZN 4. Unter diesen Bedingungen hat das Basispotential, ganz gleich
welches die Basisstromschwankungen sind, ständig den Wert —u. Die Schaltung der Zener-Dioden ZN3 und
ZNA gestattet eine teilweise Wiederaufladung des Kondensators C; dies ermöglicht ?ine schnellere
Aufladung und verkürzt die Schaltzeit der Vorrichtung. Im gesperrten Zustand des Transistors TR 3 ist das
Potential - u am Gitter des Feldeffekttransistors TEC aufgehoben. Die aus den Widerständen R 11, R12 und
R13 bestehende Brückenschaltung spannt den »Gitter-Quelle«-Übergang
in Sperrichtung derart vor, daß der Abflußstrom gleich Null wird. Der Feldeffekttransistor
TEC sperrt also, und die »Gitter-Quelle«-Sperrspannung
wird auf einen Wert begrenzt, der die Zerstörung des Feldeffekttransistors verhindert.
Über die Diode D 6 liegt der Kondensator Ci
zwischen dem Gitter g des Feldeffekttransistors TEC und dem Kollektor des Transistors TR 2. Mit Hilfe des
Kondensators Cl kann eine sehr schnelle Sperrung des
Feldeffekttransistors TEC erzielt werden, wenn durch den Steuerimpuls E1 der Übergang vom stabilen in den
astabilen Zustand erfolgt. Bei Anlage dieses Impulses sperren die Transistoren TR 2 und TR 3. Der Transistor
TR 3 sperrt jedoch langsamer, da der Widerstand R 13
lu einen hohen Wert aufweist. Im stabilen Zustand liegt
der obere Belag des Kondensators am Potential +e, und der untere Belag liegt am Potential -u. Bei
Sperrung des Transistors 77? 2 wird der obere Belag des Kondensators Cl über den Widerstand R 5 an den Pol
-u gelegt. Der über Ci abgegebene Stromimpuls sperrt den Feldeffekttransistor sofort.
Die Kondensatoren C2 und C3 geben an die beiden Transistoren TR1 und 77? 2 steilere Steuerimpulse und
gewährleisten somit eine wirksamere Sperrung; sie dienen ebenfalls zur Trennung der Schaltungen der
bistabilen Kippstufe von den äußeren Steuerkreisen. Im stabilen Zustand (TR 2 leitend) liegt der Kondensator
C2 an einer Spannung, die durch die Brückenschaltung R 15-/? 16- R17 bestimmt wird, wobei der rechte
Belag des Kondensators über die Diode D 2 und den leitenden Transistor TR 2 an den Pol + e angeschlossen
ist. Der Kondensator C3 ist nicht geladen; seine beiden
Belage beziehen ein Potential von etwa + e über D 2, TR 2, D 3 und[R 18 bzw. über R1.
Wenn der Übergang in den astabilen Zustand über ein in E eingespeistes Potential + e erfolgen soll, wird der
linke Belag des Kondensators C2 über die Diode D 4 und den Widerstand R 17 an das Potential -I-e gelegt;
der aus dem Kondensator C2 kommende Stromimpuls
)5 sperrt den Transistor 77? 2. Durch die aufeinanderfolgende
Sperrung der Transistoren TR 3, TEC und TR 4 kann der Widerstand /?4 über die Zener-Diode ZN2
einen Basisstrom auf den Transistor 77? 1 geben. Der Kondensator C3 lädt sich einerseits über D 2, TRi und
andererseits über R 18, R19, R 20 auf, wobei TR1
leitend wird und die durch den Kondensator C 2 bewirkte Sperrung von TR 2 bestehen bleibt
Soll die astabile Schaltperiode durch die Rückkehr in
den von der Leitung RZ über die Diode D 5 hergestellten stabilen Zustand unterbrochen werden, so
wird das an dieser Leitung liegende Potential + e auf den Kondensator C2 gegeben, der zu Beginn der
astabilen Schaltperiode in ähnlicher Weise aufgeladen wurde wie die Leitung £ 1 im Fall des Kondensators C2,
d. h, die Entladung des Kondensators C3 bewirkt die sofortige Sperrung des Transistors TR I.
Außer den Besonderheiten der F i g. 2 im Vergleich zu F i g. 1 enthält F i g. 2 eine Reihe von Bauteilen, Dioden
und Widerständen, welche die Arbeitsweise in bekannter, herkömmlicher Weise gewährleisten.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Monostabile Kippstufe mit großer Eigenzeitkonstante und kurzer Erholzeit, mit zwei Kippstufentransistoren,
deren Aus- und Eingänge kreuzweise miteinander gekoppelt sind, wobei der eine
Koppelzweig ohmisch ist und der andere ICoppelzweig einen Serien-Kondensator in Serie mit einer
transistorisierten Verstärkerstufe enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Venrtärkerstufe
einen Feldeffekttransistor (TEC) und einen weiteren Transistor (TR 4) enthält, und daß der
andere Koppelzweig eine zusätzliche ohmsche Kopplung (ZN 2) enthält, derart, daß während der
astabilen Phase die Ansteuerung der Kippstufentransistoren
alleine Ober die beiden ohmschen Kopplungen erfolgt
2. Monostabile Kippstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ohmschen
Kopplungen je eine Zenerdiode (ZNl, ZN2) enthalten.
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