DE2445799C3 - Monostabiler Multivibrator - Google Patents

Description

Die Erfindung betraft einen monostabilen Multivibrator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

in Monostabile Multivibratoren werden im allgemeinen dazu verwendet, nach Ansteuerung durch einen Triggerimpuls ihrerseits einen Ausgangsimpuls bestimmter Dauer abzugeben. Bekannte monostabile Multivibratoren verbrauchen sowohl während der

r. Impulsabgabe als auch vorher und nachher elektrische Energie. Dabei wird um so mehr Energie nutzlos verbraucht, je kleiner das Tastverhältnis, d. h. das Verhältnis von Dauer des Ausgangsimpulses zu Abstand zwischen zwei Ausgangsimpulsen ist

ι» Aus der amerikanischen Patentschrift 30 85 165 ist ein monostabiler Multivibrator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Bei diesem bekannten Multivibrator besteht die bistabile Einrichtung aus einem Thyristor und einem Transistor. Der Emitter-Ba-

»"· sis-Übergang des Transistors ist ständig in Durchlaßrichtung vorgespannt, so daß bei der bekannten Schaltung ein — wenn auch geringer — Ruhestrom fließt. Der Thyristor wird mittels der Triggerimpulse durchgeschaltet und beaufschlagt dann eine Last mit der

ι» Versorgungsspannuiig bzw. nahezu der Versorgungsspannung. Parallel zur Last ist der Impulsgeber angeschlossen, der einen Unijunction-Transistor enthält. Nach Ablauf einer von der Zeitkonstanten-Schaltung vorgegebenen Zeit legt der Impulsgeber an die

vi Basis des Transistors der bistabilen Einrichtung einen diesen vorübergehend sperrenden Impuls an. Bei gesperrtem Transistor sinkt der Strom im Thyristor unter den Haltewert, so daß dieser bis zum Eintreffen des nächsten Triggerimpulses ebenfalls in den Sperrzu-

hi ι stand übergeht. Bei diesem Stand der Technik liegt an der Last eine Spannung, die um die Sättigungsspannung des Transistors und die Sättigungsspannung des Thyristors der bistabilen Einrichtung kleiner als die Versorgurigsspannung ist. Dabei ist schon vorausge-

h. setzt, daß der Transistor der bistabilen Einrichtung in die Sättigung ausgesteuert ist, was einen entsprechenden Ruhestromverlust verursacht.
Aus der Zeilschrift »Frequenz«, Band 16/1962, Nr. 4,

Seiten 121 bis 125, ist eine bistabile Kippstufe, bestehend aus zwei komplementären Transistoren, bekannt, bei der jeweils die Basis des einen Transistors mit dem Kollektor des anderen Transistors verbunden ist, während der Emitter eines ersten der beiden Transistoren mit einem Pol und der Emitter des zweiten Transistors über einen Widerstand mit dem anderen Pol einer Speisespannungsquelle in Verbindung stehen.

Aufgabe der Erfindung is» es, einen monostabilen Multivibrator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung so auszugestalten, daß nur während der Dauer des bzw. der Ausgangsimpulse elektrische Energie verbraucht wird und die Spannung der Ausgangsimpulse nur um die Sättigungsspannung an einem einzigen Transistor gegenüber der Versorgungsspannung vermindert ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Solange, ausgehend vom zweiten stabilen Zustand der bistabilen Einrichtung, keine Triggerimpulse an deren Eingang gelangen, verhält sich diese wie ein geöffneter Schalter, durch den kein Strom zum Impulsgeber hindurchfließen kann, so daß der gesamte morostablle Multivibrator keinen Strom aufnimmt. Erst ein Triggtrrimpuls am Eingang d'jr bistabilen Einrichtung bringt diese in ihren ersten stabilen Zustand, der dem eines geschlossenen Schalters entspricht. Nun kann über die leitende bistabile Einrichtung Strom von einem Pol der Speisespannungsquelle über die bistabile Einrichtung und den Impulsgeber zum anderen Pol der Speisespannungsquelle fließen. Dieser Strom fließt so lange, bis die bistabile Einrichtung mittels eines Impulses vom Impulsgeber in ihren zweiten stabilen Zustand zurückgekippt wird Die Zeitspanne, während derer sich die bistabile Einrichtung in ihrem ersten stabilen Zustand befindet, entspricht der Dauer des Ausgangsimpuls.es und wird von der Zeitkonstantenschaltung bestimmt. Sobald die bistabile Einrichtung wieder in ihren ersten stabilen Zustand zurückgekippt ist, stoppt der Stromfluß und damit der Verbrauch an elektrischer Energie.

Vorteilhaft" Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt im einzelnen einen Teil der Schaltungsa nordnungde? monostabilen Multivibrators;

F i g. 2a und 2b sind Darstellungen der Eingangs- bzw. Ausgangskurvenformeii der Schaltung nach Fig. 1;

F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 4 zeigt eine Modifikation eines Teils der Schaltung nach Fig. 3 für eine erhöhte Betriebssicherheit.

In Fig. 1 ist ein mctnostabiler Multivibrator dargestellt. Er enthält eine bistabile Einrichtung, nachfolgend einfach »Schalter« genannt, 100 und einen Impulsgeber 200. die durch zwei strichpunktierte Blöcke gekennzeichnet sind und zv^ischen positive und negative Speiseleitungen 42 und 22 geschaltet sind. Wie dargestellt enthält der Schalter 100 einen PNP-Trannistor 14.einen NPN-Transistor 16.und zwei Widerstände 11 und 20. Die Basis 166 des Transistors 16 ist über den Widerstand 20 mit der negativen Speiseleitung 22 uitid auch mit einem Eingangsanschluß 12 zum Anlegen eines Triggerimpulses 10 verbunden, der dazu dient, diin Schalter 100 leitend zu machen. Der Widerstand 20 ist zum Ableiten eines Rückstromes vorgesehen, der van dem Kollektor 16c zu der Basis 166 fließt. Der Emittier 16e ist direkt an die negative Speiseleitung 22 geschaltet Die Basis 146 und der Kollektor 14c des Transistors 14 sind direkt mit dem Kollektor 16c bzw. der Basis ICi des Transistors 16 verbunden. Der Emitter 14e ist direkt mit dem Impulsgeber 200 verbunden; eine Verbindung 15 zwischen dem Kollektor 16c und der Basis 14b ist direkt und über den Widerstand 18 mit dem Impulsgeber 200 verbunden. Der Impulsgeber 200 besteht aus einem PNP-Transistor 30, einem NPN-Transistor 32, drei Widerständen 36, 38 und 40, einem Kondensator 34 und Ausgangsanschlüssen 46a und 466. Die Widerstände 36, 38, 40 und der Kondensator 34 bilden eine Brückenschaltung zwischen der positiven Speiseleitung 22 und dem Schalter 100. Die Widerstände 38 und 40 bilden einen Spannungsteiler und sind zwischen die positive Speiseleitung 42 und den Schalter 100 geschaltet. An eine Verbindungsstelle 50 zv/ischen den Widerständen 38 und 40 sind die Basis 306 und der Kollektor 32c der Transistoren 30 bzw. 32 angeschlossen. Der Kollektor 30c und die Basis 326 der Transistoren 30 bzw. 32 sind direkt miteinander verbunden. Der Widerstand 36 und el·.. Kondensator 34 bilden eine Zeitkonstantenschaltung und sind in Serie zwischen die positive Speiseleitung 42 und den Schalter 100 geschaltet. An eine Verbindungsstelle 52 zwischen dem Widerstand 36 und dem Kondensator 34 ist der Emitter sOe des Transistors 30 angeschlossen. Parallel zu dem Serienkreis aus dem Widerstand 36 und dem Kondensator 34 liegen Ausgangsanschlüsse 46a und

jo 460, an die eine Last 44 wie z. B. ein Gleichstrommotor angeschlossen ist.

Wenn im Betrieb der Triggerimpuls 10 an den Eingangsanschluß 12, also die Basis 166 gelangt, beginnt ein Basisstrom in den Transistor 16 zu fließen, wodurch

ji dieser leitend wird. Dadurch wird ein aus der positiven Speiseleitung 42, den Widerständen 38, 40 und 18, dem Transistor 16 und der negativen Speiseleitung 22 gebildeter Stromkreis geschlossen. Dieser Vorgang wiederum macht den Transistor 14 dadurch leitend, daß

jo über ihn ein Basisstrom zu fließen beginnt, wtil ein Kollektorstrom über den Transistor 16 fließt. Andererseits dient ein über den Transistor 14 fließender Koliektorstrom dazu, den Transistor 16 leitend zu halten. Das bedeutet, daß der Schalter 100 geschlossen

4> ist und seinen Zustand beibehält, solange er ^cich selbst überlassen bleibt. Wenn der Schalter 100 auf diese Weise geschlossen ist, liegt eine Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsanschlüssen 46a und 466, und zugleich beginnt sich der Kondensator 34 über den

-,ο Widerstand 36 aufzuladen. Das an dem Ausgangsanschluß 46b erscheinende Potential ist nahezu gleich dem der negativen Speiseleitung 22, da der Spannungsabfall an dem Schalter 100 verhältnismäßig niedrig ist. Der Transistor 30 wird leitend, wenn die Spannung an dem

.ι Kind«_nsator 34 die Summe der Spannungsabfälle an dem Widerstand 40 und zwischen dem Emitter 30e und der Basis 306 übersteigt. Auf eine ähnliche Weise wie vorstehend im Zusammenhang mit den Transistoren 14 und 16 angeführt, wird dadurch wiederum der

mi Transistor 32 leitend gemacht. Wenn die beiden Transistoren 30 und 32 leitend geworden sind, beginnt sieh die im Kondensator 34 gespeicherte Ladung über die Transistoren 30,32 und 16 zu entladen. Als Ergebnis wird das Potential der Basis 146 des Transistors 14 zum

hi Positiven hin verschoben, so daß kein Basisstrom mehr von der Basis 146 zu dem Emitter 14e fließen kann und der Transistor 14 gesperrt wird. Das bedeutet, daß der Schalter 100 zwangsweise geöffnet wird. Faßt man den

oben stehenden Arbeitsvorgang zusammen, so wird der Selbsthalteschalter 100 ausschließlich durch die Tatsache geöffnet, daß die Transistoren 30 und 32 leitend werden; die KufVenförfrt des Ausgangssignals ent' spricht der mit dem Bezugszeichen 48 bezeichneten.

Bei dem vorstehenden Vorgang ist die Zeitdauer T₀ von dem Zeitpunkt, an dem der Schalter 100 geschlossen wird bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Transistoren 30 und 32 leitend werden, wie folgt gegeben:

v_H =

«4o

V_n + ·'«

(D

(2)

C f

= -CV*_Äln

Dabeisind

«40 «38 + «40

(3)

Faßt man diese beiden Gleichungen zusammen, Tuhrt das zu

Spannung an dem Kondensator 34 in Volt,
V^: Speisespannung des Impulsgeber in Volt,
Cm: Kapazität des Kondensators 34 in Farad,

«36, «38

und R₁₀: Widerstandswerte der Widerstände 36, 38

bzw.40inOhm,
Vbw. Durchlaßspannungsabfall zwischen der Basis 306 und dem Emitter 3Oein Volt.

In der vorgehenden Beschreibung wird nur ein einzelner Impuls 10 an den Eingangsanschluß 12 angelegt, es kann jedoch auch eine Reihe von Impulsen als Triggerimpulse angewendet werden, um eine Reihe

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VOlI /-lUSgailgaitliputadl *.U Cl ItUltCll, -rill. Ill VlClI 1 Ig. X.U

und 2b dargestellt ist

Unter Bezugnahme auf die F i g. 2a und 2b wird dabei eine Eingangsimpulsreihe mit einer Wiederkehr 71 dem EingangsanschluB 12 zugeführt, wodurch eine Ausgangsimpulsreihe mit der Impulslänge 7ö (< T)) aus den Ausgangsanschlüssen 46a und 46b erhalten werden kann.

Es ist anzumerken, daß der erfindungsgemäße Multivibrator als Impulsbreitenwandler angewendet werden kann; ferner kann der Multivibrator Veränderungen der Eingangsimpulsfolgefrequenz durch Inte

gration der Ausgangskurvenformen in Ausgangsspannungsänderungen umwandeln, da die Impulslänge To bei festen Werten der Schaltungskomponenten konstant ist.

F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung zur Erzielung eines besseren Wirkungsgrades der Nutzung der Stromversorgung. Wie dargestellt ist ein zusätzlicher Transistor 60 zwischen den impulsgeber 200 und die negative Speiseleitung 22 so eingefügt, daß seine Basis 606direkt mildem Emitter 16eund sein Kollektor 60c und sein Emitter 60e mit dem Impulsgeber 200 bzw. der negativen Speiseleitung 22 verbunden sind. Ferner ist ein zusätzlicher Widerstand 62 zwischen die positive Speiseleitung 42 und einen Verbindungspunkt 64 eingefügt. In diesem Fall ist anzumerken, daß der Emitter 14eund der Widerstand 18 nicht wie in Fig. 1 mit dem Impulsgeber 200 verbunden sind, sondern über den neu hinzugefügten Widerstand 62 mit der positiven Speiseleitung 42. Die Arbeitsweise der Schaltung nach F i g. 3 ist analog der der Schaltung nach F i g. i mir der Ausnahme, daß die Ausgangsspannung der Schaltung nach Fig.3 der Speisespannung näher kommt als das der Schaltung nach F i g. 1, weil die Sättigungsspannung des Transistors 60 verhältnismäßig niedriger ist als die Summe der Sättigungsspannungen der Transistoren 14 und 16. Beispielsweise liegt sie im Bereich von 0,2 bis 0,3 Volt im Gegensatz zu der Summe, die ungefähr 1,0 Volt beträgt.

Fig.4 zeigt eine Modifikation des Impulsgebers 200 der F i g. 1 und 3 zum Beseitigen der unerwünschten Wirkungvon Vßfder Gleichung (4) auf die Zeitdauer To. Wie in Fig.4 dargestellt, sind bei diesem Impulsgeber 200' ein zusätzlicher Transistor 70 und ein Widerstand 72 zwischen die positive Speiseleitung 42 und den Schalter 100 so eingefügt, daß der Durchlaßspannungsabfall zwischen dem Emitter 7Oe und der Basis 706 denjenigen (Vbe) des Transistors 30 ausgleicht. Daher kann die Gleichung (4) wie folgt umgeschrieben werden:

T₁₁ = r_u «,„ In

+ «40

Das bedeutet, daß die Zeitdauer T₀ nicht von Vbi abhängig ist, d. h., daß sie nicht unvorteilhafterweise durch Änderungen der Speisespannung beeinflußt wird.

Zu der vorstehenden Beschreibung ist anzumerken,

daß der PNP-Transistor 14 und der NPN-Transistor 16 des Schalters 100 gegeneinander austauschbar sind und daß dasselbe für die Transistoren 30 und 32 des Impulsgebers 200 gilt. Weiterhin kann der NPN-Transistor 60 nach Fig.3 durch eine PNP-Ausführisng und auch der PNP-Transistor 70 nach Fig.4 durch eine NPN-Ausführung ersetzt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Monostabiler Multivibrator, der nach Ansteuerung mittels eines Triggerimpulses einen Ausgangsimpuls bestimmter Dauer abgibt, umfassend eine bistabile Einrichtung und einen Impulsgeber, wobei ein erster Anschluß der einen Transistor aufweisenden bistabilen Einrichtung mit einem Pol und ein zweiter über einen Widerstand mit dem anderen Pol einer Speisespannungsquelle in Verbindung stehen, während ein dritter Anschluß mit einem mit den Triggerimpulsen beaufschlagten Eingangsanschluß verbunden ist, so daß jeder Triggerimpuls die bistabile Einrichtung von einem nicht-leitenden Zustand in einen leitenden Zustand umkippt, und wobei der Impulsgeber eine Zeitkonstantenschaltung mit einem Kondensator und einem ersten Widerstand, deren Kondensator sich auflädt, wenn Hie bistabile Einrichtung ihren leitenden Zustand »ngenommcK hat, eine Bezugsspannungsquelle, welche im leitender¹. Zustand der bistabilen Einrichtung eine Bezugsspannung liefert, und eine normalerweise nicht-leitende Schaltanordnung aufweist, welche leitend wird, wenn die Spannung am Kondensator die Bezugsspannung erreicht, und welche ein Paar von Hauptelektroden und eine Steuerelektrode besitzt, von denen eine der Hauptelektroden mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator und dem ersten Widerstand verbunden ist, während die zweite Hauptelektrode init der B?-h des Transistors der bistabilen Einrichtung und die Steuerelektrode mit der Bezugsspannungsquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die bistabile Einrichtung (100) in an sich bekannter Weise aus zwei komplementären Transistoren (14, 16) besteht, wobei jeweils die Basis des einen Transistors mit dem Kollektor des anderen Transistors verbunden Ist, während der Emitter eines ersten der beiden Transistoren (16) den ersten Anschluß, der Emitter des zweiten Transistors (14) den zweiten Anschluß Und die Basis des ersten Transistors den dritten Anschluß der bistabilen Einrichtung darstellen, daß der erste Widerstand (36) und der Kondensator (34) der Zeitkonstantenschaltung Teil einer außerdem einen zweiten Widerstand (38) und einen dritten Widerstand (40) aufweisenden Brückenschaltung sind, daß die zweite Hauptelektrode (32e) der Schaltanordnung mit der Basis des zweiten Transistors (14) der bistabilen Einrichtung (100) verbunden ist, daß ein Brückenpunkt zwischen dem ersten Widerstand (36) und dem zweiten Widerstand (38) mit dem einen Pol (42) der Speisespannungsquelle verbunden ist, daß ein weiterer Brückenpunkt (50) zwischen dem zweiten Widerstand (38) und dem dritten Widerstand (40) mit der Steuerelektrode (30Zj) der Schaltanordnung (30, 32) verbunden ist. daß der vierte Brückenpunkt zwischen dem Kondensator und dem dritten Widerstand über einen Transistor (16; 60) der bistabilen Einrichtung mit dem anderen Pol der Speisespannungsquelle verbunden ist und daß die bistabile Einrichtung (100') einen dritten Transistor (60) aufweist, dessen Basts mit dem Emitter des ersten Transistors (16) verbunden ist, dessen Emitter mit dem einen Pol (22) der Speisespannungsquelle verbunden ist und dessen Kollektor mit dem vierten Brückenpunkt der

Brückenschaltung des Impulsgebers (200) zwischen dem Kondensator (34) und dem dritten Widerstand (40) verbunden ist.

2. Monostabiler Multivibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltanordnung ein Paar komplementärer Transistoren (30, 32) umfaßt, von denen jeweils die Basis des einen Transistors mit dem Kollektor des anderen Transistors verbunden ist, die Emitter der beiden Transistoren die Hauptelektroden (3Oe, 32e) und die Basis des einen der beiden Transistoren (30) die mit dem dritten Brückenpunkt (50) verbundene Steuerelektrode (30ό) darstellt, und daß die Schaltanordnung des Impulsgebers (200') einen weiteren Transistor (70) enthält, dessen Basis mit dem ersten Brückenpunkt (52), dessen Kollektor mit dem vierten Brückenpunkt und dessen Emitter mit dem zweiten Brückenpunkt und dem Emitter desjenigen Transistors des komplementären Transistorpaars (30, 32) der Schaltanordnung verbunden ist, dessen Basis mit dem dritten Brückenpunkt (50) verbunden ist