DE1947276C3 - 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 Koppelzwei^ ohmh.fi ist und der andere
Koppelzweig einen Serien-Kondensator in Serie mit einer transistorisierten Verstärkern? *e 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 /?C-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 12 16 924 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 I gekennzeichnete Kippstufe gelöst.
Die Erfindung wird nun anhand zweier Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.
F i g. I ist der Stromlaufplan einer erfindungsgemäßen Kippstufe und
F i g. 2 zeigt ein weiteres Schaltbild einer erfindungsgemäßen
Kippstufe.
In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Kippstufe aus zwei Transistoren TR 1 unJ
TR2. Der zeitbestimmende Koppelzweig mit einem Kondensator Chat zwei Transistoren 77?3 und 77?4
sowie einen Feldeffekttransistor TEC. Die gesamte Schaltungsanordnung hat zwei Ausgänge S0 und S1.
Während der stabilen Schaltperiode befindet sich der Ausgang So im Zustand ο und der Ausgang Si im
Zustand 1. Der Ausgang S0 im Zustand 1 iv.d der
Ausgang Si 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. Purch Anlegen eines positiven Impulses an die Leitung
ftZkann die sofortige Rückkehr in den stabilen Zustand erfolgen.
Im folgenden wird die Vorrichtung im einzelnen beschrieben:
Die Emitter der Transistoren TR 1 und TR 2 vom Typ pnp liegen an einer gemeinsamen Klemme, die
einerseits am positiven Pol + eund andererseits an zwei
Widerstände R i und R 2 angeschlossen ist; das andere Ende von R i liegt an der Basis des Transistors TR 1 und
das andere Ende von R 2 an der Basis des Transistors TR 2. Die Basis des Transistors 77? 1 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 El und über die Zener-Diode ZN 1 am Kollektor des Transistors TR 1. Dabei ist die Anode der
Zener-Diode ZNi mit dem Kollektor des Transistors TR 1 verbunden. Der Kollektor des Transistors 77? 1 ist
ferner an den Ausgang Sn und über eine Diode Dl und
einen Widerstand /?3 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 /?4, an
einem Belag des Kondensators C und über einen Widerstand R 5 am negativen Potential — u, dessen
absoluter Wert kleiner als e ist. Der andere Belag des Kondensators Cist 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 eist.
Der Kollektor den Transistors TO 3 liegt einerseits
über einen Widerstand R 7 am negativen Pol - c 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
/?8 und der Pol s am oben bezeichneten negativen Polentia! - u. Das andere Ende des Widerstandes R 8 ist
einerseits an die Basis des pnp-Transistors TR 4 und andererseits über einen Widersland R 9 an den
positiven Pol + e angeschlossen. Der Emitter des Transistors TRA liegt am positiven Pol + c. Der
Kollektor des Transistors 7W4 ist über die Zener-Diode
ZN2 mit der liasis des Transistors TR I und über den
Widersland /?4 mit dem negativen Pol —e verbunden:
die Anode der Zener-Diode /N 2 liegt am Kollektor des Transistors TR 4.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung arbeilel wie folgt:
Stabiler Zustand
Der Transistor TR 3 ist ständig leitend, da das über den Widerstand Λ 6 und die· Diode D gelieferte positive
Potential +e !»eines Emitters höher ist als das an seiner -,
Basis liegende negative Potential — ü; der Kollektor des Transistors weist somit das Potential — u auf, das
ebenfalls das Potential des Gitters gdes Feldeffekttransistors
TEC'isl.
Da die Quelle s des Feldeffekttransistors TEC am κι
Potential —uliegt, entsteht keine Sperrspannung an der
»Quelle-Gitterw-Diode, und der Feldeffekttransistor ist
leitend; am Pol d liegt annähernd das gleiche Potential
— u. Andererseits hat das Potential der Basis des
Transistors TO 4 in Abhängigkeit von den Widerstän- ιί
den RB und R 9 einen Wert zwischen — u und +e. Da
dieses Potential zwangsläufig niedriger ist als das Potential t- 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 ΖΛ/2, deren andere Elektrode über den
Widerstand Λ 1 am Pol + e liegt. Über die Diode ZN 2
und den Widerstand R 1 kann also kein Rückstrom fließen, und die Basis des Transistors TR t liegt daher
am gleichen Potential +e wie der Emitter. Der y,
Transistor TR 1 ist gesperrt, und der Ausgang S0 erhält
Potential, das durch den Spannungsabfall im Widerstand R 3 bestimmt wird, und zwar aufgrund des Sperrstroms
im Stromkreis: Widerstand R 3, Zener-Diode ZN 1 und Widerstand Λ 2 parallel zum Widerstand des Basis- so
Emitter-Überganges von TR 2. Der Sperrstrom gibt auf die Basis von TR 2 ein Poten tial, das negativer ist als das
Emitter-Potential +s. Der Transistor TR 2 ist leitend, und der Ausgang S\ befindet sich im Zustand 1, d. h- er
hat im wesentlichen das Potential + e. Der obere, mit r> 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 ■»>
TR3 und der Diode D kommt. Der Kondensator Cliegt
daher an der Spannung, deren absoluter Wert kleiner als e ist, und durch den Widerstand /?5 fließt ein
bestimmter Strom.
■r> Astabiler Zustand
Zum Übergang in dein astabilen Zustand wird kurzzeitig ein positives Potential -t-ean den Eingang
E\ gelegt, wodurch der Transistor TR 2 sperrt; Basis und Emitter liegen dabei am gleichen Potential. Auf den *>»
oberen Belag des Kondensators ("gelangt das Potential
— u über den Widerstand /?5. Hierdurch wird eine
Veränderung des Bezugüwertes bewirkt, und am unteren Belag des Kondensators C tritt das Potential
— 2u auf. Der Basis-Emitter-Übergang des Transistors v>
TR 3 in Reihe mit der Diode D wird somit in Sperrichtung vorgespannt (das Basispotential 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 Transi- mi siors TR3 zu begrenzen. Per Kondensator Gentlädt
sich in den Widerstand Rb: 'lieser Zustand hall so lange
an, wie am Belag von Ccii' Potential von weniger als
— u liegt, d. h. ',wischen - 2/' und - ;/. Die Widerstände
/?6 und R 7 können übrigens sehr groß sein, denn der hi
Feldeffekttransistor ie; »spannungs«-und nicht stromgesteuert.
Da der Transistor TR 3 gesperrt ist, wird das Potential - uam Gitterndes Feldeffekttransistors TFX'
unterdrückt, und über den Widerstand R 7 gelangt zu ihm das Potential - e; hierdurch wird der »Gitter-Quel-Ie«-Übergaiig
in Sperrichtung derart vorgespannt, daß der Abflußstrom der Leitung d auf Null absinkt. Der
Feldeffekttransistor 77fCsperrt, und da an der Basis des Transistors TR 4 das gleiche Potential wie am Emitter
liegt, sperrt dieser ebenfalls. In dem aus A4, ZN2 und R 1 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 TR 1 wird leitend. Am Ausgang S0 tritt ein
Potential von etwa +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 S\ liegt am negativen Potential — u, das über
den Widerstand R 5 zugeführt wird.
Somit ist der astabile Zustand dadurch gekennzeichnet, daß sich der Ausgang Sa im Zustand 1 und der
Ausgang Sf im Zustand 0 befindet. Dieser Zustand ist
astabil, da er von der Entladezeit dei Kondensators C abhängt. Der Widerstand R 6 kann einer, sehr großen
Wert und eine hohe Zeitkonstante aufweisen und braucht während des stabilen Zustandes kfinen
Steuerstrom wie für eine herkömmliche monostabile Kippstufi zu liefern.
Normale Rückkehr in den .stabilen Zustand
Sobald das Potential des unteren Belags des Kondensators C einen Wert von mehr ais --u erreicht,
also einen absoluten Wert, der kleiner als der absolute Wert von υ ist, und der Basis-Emitter-Übergang des
Transistors TR 3 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wird der Transistor TR 3 leitend; hierdurch gelangen
der Feldeffekttransistor TEC und der Transistor TR 4 auf die gleiche Weise in den leitenden Zustand wie dies
hinsichtlich des stabilen Zustandes beschrieben wurde.
Der Transistor TR 1 sperrt, und der Transistor TR 2 wird leitend; das an Ei 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 S, im Zustand 1: dies
kennzeichnet den stabilen Zustand. Der Kondensator lädt sich über folgenden Stromkreis auf: +e, Transistor
TR 2, Kondensator C, Diode D, Transistor TR 3 und Spannung — u an der Basis von TR 3.
Vorzeitige Rückkehr in den stabilen Zustand
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 E1 unterdrückt
wurde. Durch Sperrung von 77? I bewirkt dieses Pcten.ial die vorzeitige Rückkehr der Vorrichtung in
den stabilen Zustand. In diesem Fall entlädt sich der Kondensator Cnicrw vollständig, und der Punkt A weist
noch nicht ein Potential von mehr als —u auf, um TR 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 + e liegt, einen positiven Impuls auf den durch den
Widerstand Rb gebildeten Entladestromlreis ab;
hierdurch wird TR 3 wieder leitend, und der beschriebene stabile Zustand ist erneut erreicht.
Im übrigen kann dis Potential - u, wobei \ u\
< | el der gleichen Quelle entnommen werden wie e, da das positive Bezugspotential gemeinsam ist. Wenn die
Spannungs-Quellen u und e nicht die gleichen sind,
müssen sie einen gemeinsamen positiven Pol haben.
Es sind ebenfalls zu beachten, daß der Transistor TR 3 nicht unbedingt notwendig ist; der untere Kondensatorbelag
C(Punkt /ψkönnte 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 77?3 hinzugefügt: dieser soll 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.
F i g. 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. I. Die wesentlichen Änderungen
sind folgende:
Da die Feldeffekttransistoren keine Sperrspannung von mehr als 2t/ aushalten, wurde eine Spannungsquelle
-u vorgesehen, die an der Basis des Transistors TR 3
liegt, wobei eine einzige allgemeine Speisespannung ( - c. + ^beibehalten wurde.
Die Spannungsquelle - u besteht aus den beiden in
Reihe liegenden Zenei-Dioden ZN 3 und ZN4. 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 TR 3 verbunden. Der negative Pol - e
hegt am anderen Ende des Widerstandes R 10 und der
positive Pol + e an der Kathode der Diode ZN4. Unter diesen Bedingungen hat das Basispotential, ganz gleich
Ii nl^kir jA'in Dnrirrl ^ η m r-.->
It τ ι ι nl/.infinn ' Λ t " Λ 1
Wert -u. Die Schaltung der Zener-Dioden Z/V3 und ZNA gestattet eine teilweise Wiederaufladung des
Kondensators C; dies ermöglicht eine 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 RW, R 12 und
R 13 bestehende Brückenschaltung spannt den »Gitter-Ouellc-Übergang
'.n Sperrichtung derart vor. daß der Abflußstrom gleich Null wird. Der Feldeffekttransistor
TFC sperrt also, und die »Gitter-Quelle^Sperrspannung
wird auf einen Wert begrenzt, der die Zerstörung des Feldeffekttransistors verhinder;.
Über die Diode Db liegt der Kondensator CI zwischen dem Gitter g des Feldeffekttransistors TEC
und dem Kollektor des Transistors TR 2. Mit Hilfe des Kondensators C I kann eine sehr schnelle Sperrung des
Feldeffekttransistors TEC erzielt werden, wenn durch den Steuerimpuls E 1 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
einen hohen Wert aufweist. Im stabilen Zustand liegt der obere Belag des Kondensators am Potential -t- c,
und der untere Belag liegt am Potential - u. Bei Sperrung des Transistors TR 2 wird der obere Belag des
Kondensators Π über den Widerstand R 5 an den Pol -α gelegt. Der über (I abgegebene Stromimpuls
sperrt den Feldeffekttransistor sofort.
Die Kondensatoren C'2 und C3 geben an die beiden
Transistoren TR 1 und TR 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 - R 16— R 17 bestimmt wird, wobei der rechte Belag des Kondensators über die Diode D2 und den
leitenden Transistor TR 2 an den Pol + e angeschlossen ist. Der Kondensator C3 ist nicht geladen; seine beiden
Belage b<_..'.ichen ein Potential von etwa + e über D 2.
TR 2, D 3 und R 18 bzw. über R 1.
Wenn der Übergang in den astabilen Zustand über ein in fT eingespeistes Pciential + e eri'olgen soll, wird der
linke Belag des Kondensators C2 über die Diode D4 und den Widerstand R 17 an das Potential +e gelegt;
der aus dem Kondensator C2 kommende Stromimpuls sperrt den Transistor TR 2. Durch die aufeinanderfolgende
Sperrung der Transistoren TR 3, TEC und 77? 4 kann der Widerstand /?4 über die Zener-Diode ZN2
einen Basisstrom auf den Transistor TR 1 geben. Der Kondensator C3 lädt sich einerseits über D2. TR 1 und
andererseits über R (8. R 19. R 20 auf, wobei TRt
leitend wird und die durch den Kondensator C2 hpu/irliip <\ηρΓπιησ vnn TR 7 hrstphpn bleibt.
Soll die astabile Schaltperiode durch die Rückkehr in den von der Leitung RZ über die Diode D5
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 E1 im Fall des Kondensators C2.
d. h.. die Entladung des Kondensators C3 bewirkt die sofortige Sperrung des Transistors 77? t.
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 Kippstu- s
fentransistoren, 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, da- in durch gekennzeichnet, daß die Verstärkerstufe
einen Feldeffekttransistor (TEC) und einen weiteren Transistor f77? 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 über die beiden ohmschen
Kopplungen erfolgt
2. Monostabile Kippstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ohmschen 2»
Kopplungen je eine Zenerdiode (ZNi. ZN2) enthalten.
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| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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