DE2646501B2 - Pegelumschalter mit Schaltdioden in symetrischer Anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Pegelumschalter mit von Stromquellen, deren Ansteuerung und Speisung unabhängig voneinander sind, geschalteten Schaltdioden in symmetrischer Anordnung. Derartige Pegelumschalter sind als Prüfsignalgeber für die Prüfung logischer elektronischer Schaltungen mit Hilfe von Logikprüfautomaten oder auch ganz allgemein als Ausgangstreiberstufen bei Impulsgeneratoren einsetzbar. Ein derartiger Pegelumschalter soll Rechtecksignale mit hoher Flankensteilheit und hoher Frequenz bei variablen hohen und niederen Pegeln abgeben. Er soll ohne Verstärkung hohe Amplituden erzeugen und bei niedrigem Innenwiderstand gleichzeitig eine Kurzschlußstrombegrenzung aufweisen. Außerdem wird ein optimales Einschwingverhalten

erwartet.

In der DT-PS 2233 612 ist eine Endstufe für einen Prüfsignalgeber beschrieben, bei dem ebenfalls l'remdgesteuerte Schaltdioden in symmetrischer Anordnung vorgesehen sind. Es geht aus der Beschreibung und den Figuren der Patentschrift hervor, daß sich der bekannte Prüfsignalgeber nicht für einen Vier-Quadranten-Betrieb eignet, weil die eine Stufe nur Strom aufnehmen und die andere nur Strom abgeben kann.

Aus dem »Archiv für technisches Messen« Blatt Z 52-9 vom Oktober 1949, Seite T 89, Bild 1, ist ein Diodengatter nach Art einer Graetz-Schaltung bekannt, das als elektronischer Schalter von einem Trenntransformator gesteuert wird. Damit können die Dioden jedoch nur im Takt einer periodischen Wechselspannung gesteuert werden.

In der deutschen Auslegeschrift 1063208 ist ein elektronischer Schalter mit einer Diodenbrücke beschrieben. Die Diodenbrückc wird ihrerseits über elektronische Schalter geschaltet, die von Signalen angesteuert werden, die in Sekundärwicklungen von Impulstransformatoren erzeugt werden. Die elektronischen Schalter sind nicht als bistabile Elemente ausgebildet, so daß die Diodenbrücke normalerweise nicht in einen Dauerzustand geschaltet werden kann. Zum Zweck der Umschaltung der Diodenbrücke in einen Dauerzustand wird in der Auslegeschrift vorgeschlagen die Impulstransformatoren durch normale Transformatoren zu ersetzen und diese primärseitig durch Hochfrequenz-Impulspakete anzusteuern. Auf der Sekundärseite der Transformatoren ist dann ein Gleichrichter und eine Siebschaltung vorgesehen, der eine Gleichspannung entnommen werden kann, die so lange eine bestimmte Größe hat und so lange anhält, wie ein primärseitig aufgebrachtes Hochfrequenz-Impulspaket dauert. Die Umschaltzeiten werden durch diese vorgeschlagenen Maßnahmen erheblich verlängert. Dazu trägt zum einen die größere Streuinduktivität der normalen Transformatoren und zum anderen das Siebglied im Sekundärstromkreis bei.

In der deutschen Auslegeschrift 2 160790 wird ebenfalls ein elektronischer Schalter mit einer Diodenbrücke beschrieben. Zum Umschalten in den leitenden und den gesperrten Zustand der Dioden werden ebenfalls über einen Transformator geschaltete elektronische Schalter verwendet. Die Umschaltung in den leitenden Zustand wird über einen Schalttransistor und die Schaltung in den Sperrzustand über eine zusätzliche Diode erreicht. Die elektronischen Schalter sind bei dieser bekannten Schaltung ebenfalls nicht als bistabile Elemente ausgeführt, so daß infolge ihrer Ansteuerung über den Transformator keine Dauerzustände geschaltet werden können.

Die beiden zuletzt beschriebenen bekannten Schaltungen weisen zudem noch die gemeinsame Eigenschaft auf, daß der Transformator jeweils neben dem Ansteuersignal für die elektronischen Schalter auch den Schaltstrom für die Dioden der Diodenbrücke zu liefern hat. Er muß deshalb auch für die Lieferung einer Schaltleitung ausgelegt sein. Dieser Umstand verhindert, daß der Transformator auf größtmögliche Schallgeschwindigkeit hin entworfen werden kann.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Pegelumschalter der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit dem i.uch Dauerzustände geschaltet werden können, ohne daß die Schaltzeiten dadurch

verlängert werden.

Dieses Ziel wird bei einem eingangs erwähnten Pegelumschalter durch die Kombination folgender Merkmale erreicht:

a) Die Schaltdioden sind in zwei Diodei,brücken in Graetz-Schaltung angeordnet.

b) Zur Ansteuerung der Stromquellen ist jeweils eine signalmäßige Reihenschaltung eines Impulstransformator und eines Flip-Flops vorgesehen.

c) Die Speisung der Ansteuerung der Stromquellen ist potenlialfrei ausgelegt.

Neben der Schaltung von Dauerzustünden bei größtmöglicher Umschaitgeschwindigkeit überlagern sich auch Steuerströme und Lastströme in jedem Zweig einer der Diodenbrücken. Wird der Laststrom infolge eines äußeren Kurzschlusses zu hoch, so wird ein Diodenpaar in den Sperrzustand zurückgeführt und damit der Kurzschlußstrom auf die Höhe des Steuerstromes begrenzt. Mit dem neuen Pegelumschalter wird auch eine bessere Kompensation der Diodenflußspannung erreicht, weil beide Dioden eines Zweiges vom gleichen Strom durchflossen werden. Das hat einen geringeren Spannungsfehler auch bei wechselnden Ansteuerungen der Dioden zur Ft)IgC.

Im einzelnen liegen die Steueranschlüsse der Diodenbrücken an schaltbaren Stromquellen, die aus von potentialfreien Spannungsversorgungen gespeisten Transistoren bestehen.

Zweckmäßig besteht die Versorgung der Gleichstromquellen aus je einer transformatorgespeisten Gleichrichterbrücke.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispie! der Erfindung sind die Primärwicklungen der Impulstransformatoren über Widerstände an Ausgänge je eines ODER-Gatters angeschlossen, wobei die ODER-Gatter mit je einem ihrer Eingänge inversparallel an einem Impulseingang liegen.

An je einem weiteren Eingang der beiden ODER-Gatter ist ein Sperrsignal anschließbar.

Als Transistoren für die Stromquelle und als Transistoren der Flip-Flops im Steuerteil für hohe Pegel sind pnp-Transistoren gewählt. Die Transistoren und Flip-Flop-Transistoren für den Steuerteil des niederen Pegels dagegen sind npn-Transistoren.

Durch das Zusammenschalten von zwei gleichartigen Diodengattern mit potentialfreier Ansteuerung zu einem Umschalter werden neben der Laststrombegrenzung auch Ausgleichströme bei überlagerter Ansteuerung zwischen den beiden zu schaltenden Pegeln durch die Strombegrenzung der Diodenquartette begrenzt. Gleichzeitig wird eine hohe Umschaltgeschwindigkeit erzielt. Die Steuerleistung ist dabei verhältnismäßig niedrig. Ebenso ist der Innenwiderstand des Schalters niedrig. Durch die Art der gewählten Sleuerelektronik sind neben einem Impulsbetrieb auch GleichspaniHingspegel für beliebig lange Zeit einstellbar.

Die Erfindung wird an Hand zweier Figuren erläutert:

Fig. 1 stellt das Prin/ipschalthild eines polentiall'reien Diodenschalters mit einem Diodengatter in Graetz-Schaltung dar;

in Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Sehaltbild dargestellt.

In Fig. 1 sind die Verbindungspunkte gegensinnig geschalteter Dioden eines Diodengatters I) mit zwei Ausgangsklemmen einer Steuerelektronik St verbunden. Die Verbindungspunkte zweier gleichsinnig aufeinanderfolgender Dioden des Diodengatters J) bilden einerseits den Eingang /;, andererseits den Ausgang A des Diodenschalters. Die Steuerelektronik ist potentialfrei über Transformatoren Ü\ und Ol an eine Spannungsversorgung i.' bzw. an ein Steuersignal / angeschlossen. Die Ansteuerung des Diodengatters I) erfolg! durch einen von der Steuerelektronik abgegebenen eingeprägten Strum, tier durch das Sleuersignal / geschaltet wird.

In Fig. 2 bestehen zwei Diodengatter Gl und G2 aus je vier Dioden D9. DlO. DIl, Ü12 bzw. D13. D14, D15, D16, die nach Art der bekannten Graetz-Schaltung miteinander verbunden sind. Die Anschlüsse der Diodengatter zwischen den Verbindungspunkten gleichsinnig geschalteter Dioden dienen als Schaltanschlüsse. Dazu liegen die Anschlüsse zwischen den Dioden DlO und Ü12 des Diodengatters Gl und zwischen den Dioden D14 und D16 des Diodengatters Gl gemeinsam an einer Ausgangsklemme TRA. Der Anschluß zwischen den beiden Dioden D9 und DIl des Diodengatters Cl liegt über eine Drossel DrI an einer Klemme HJ für einen hohen logischen Pegel. Der Anschluß zwischen den beiden Dioden D13und D15des Diodengatters G2 liegt über eine Drossel DrZ an einer Klemme LO für einen logisch niederen Pegel. Die Steueranschlüsse des Diodengatters CI, d. h. die Verbindungspunkte zwischen den einander entgegengesetzt gerichteten Dioden D9 und DlO bzw. DIl und D12 sind an eine schaltbare Stromquelle, die aus einem Transistor 71. einem Widerstand Rl und einer potentialfreien Spannungsversorgung Ql besteht, angeschlossen. Ebenso liegt das Diodengatter C2 mit den Verbindungspunkten zwischen den Dioden D15 und D16 bzw. D13 und D14 an einer aus einem Transistor Tl und einem Widerstand Rl bestehenden und von einer potentialfreien Spannungsversorgung Ql gespeisten schaltbaren Stromquelle. Die Spannungsversorgungen bestehen jeweils aus einem Transformator TrI bzw. IrI. deren Primärwicklungen an eine Wechselspannung von beispielsweise 6 V bei einer Frequenz von 3 MHz angeschlossen sind und aus mit Sekundärwicklungen der Transformatoren 7>1 und 7>2 verbundenen üblichen Gleichrichterbrückenschaltungen, die eine VoII-weg-Gleiehrichtung ergeben. Die Ausgangsklemmen der Gleichrichter sind über Glattungskondensatoren Cl bzw. C'2 miteinander verbunden. Die Basiselektrode des Transistors 71, der ein pnp-Transistor ist. liegt an einem Ausgang eines Flip-Flops, der aus pnp-Transistoren /'3 und 7*5 besteht. Die Emitter der beiden Transistoren liegen parallel an der einen Klemme der Spannungsversorgung Ql. Ihre Kollektoren liegen über Kollektorwiderstände R3 bzw. R9 an der anderen Klemme der Spannungsversorgung Ql. Analog ist die Basiselektrode des Transistors Tl. derein npn-Transistor ist, mit dem Ausgangeines aus zwei weiteren npn-Transistoren T4 und 7'6 bestehenden zweiten Flip-Flops verbunden. Die Emitier der Flip-Flop-Transistoren liegen parallel an der einen Ausgangsklemme der Spannungsversorgung Ql und ihre Kollektoren über Kollektorwiderstände R4 bzw. RIO an der anderen Ausgangsklemme der Spannungsversorgung Ql. Die Transistoren /3. /'5 bzw. Γ4, Tf> der Flip-Flops sind auf die übliche Weise über Widerstands-Kondensator kombinationen von den Kollektoren auf die Basiselektroden der jeweils anderen Transistoren der Flin-Flons rücki>ekonnelt. Die

Flip-Flops werden symmetrisch über lmpulstransformatoren 7V3 bzw. 7>4 angesteuert. Dabei liegt eine Sekundärwicklung des Transformators 7V3 über zwei Kondensatoren C"7 bzw. ('9 an den Basiselektroden der Transistoren /'5 bzw. /'3. Eine Sekundärwicklung des Transformators 7V4 liegt analog über Kondensatoren C'8 bzw. ("10 an den Basiselektroden der Transistoren 76 bzw. 7"4. Primärwicklungen der Impulstransformatoren 7>3 und 7Y4 liegen einerseits über Widerstände WIl und RX2 an Ausgängen zweier '" NOR-Gatter NORX und NGRl, andererseits gemeinsam an Masse. Jc zwei Eingänge der NOR-Gatter .NORi und NOR2 liegen parallel an einer Klemme INH, der ein Sperrsignal zugeführt werden kann. Ein anderer Eingang des NOR-Gatters NORX liegt un- ■ mittelbar und ein anderer Eingang des NOR-Gatters NORl über einen Inverter IN an einer Klemme INF. der ein Steuersignal zugeführt wird.

Über die zwei invers angesteuerten NOR-Gatter NORi und NORl gelangt das Steuersignal von der " Klemme /FF auf die Primärseiten der Impulstransformatoren 7/3 bzw. 7>4. In den Impulstransformatoren wird das Steuersignal differenziert und damit die Flip-Flops symmetrisch angesteuert. Deshalb bewirkt sowohl die positive als auch die negative Flanke des Eingangssignals ein Umschalten der Flip-Flops.

Anden Kollektoren der Transistoren 7'3 bzw. 7"4 entsteht damit ein Rechtecksignal, dessen Amplitude durch Spannungsteiler aus den Widerständen /?3 und RS bzw. /?4 und R6 bestimmt wird. Das Rechtecksignal wiederum gibt den Verlauf des Steuerstromes vor, der über die Transistoren 71 bzw. Tl die Diodengatter Gl bzw. Cl öffnet. Mit den Diodengattern Gl und dl werden die Pegeleingänge HI bzw. LO auf den Ausgang TRA durchgeschaltet.

Ein auf die NOR-Gatter NORX und NORl einwirkendes Spcrrsignal am Eingang INH bringt die Flip-Flops gleichzeitig in eine solche Lage, daß beide Diodengatter Gl und Cl stromlos sind. Dies hat einen neutralen Zustand des Pegelumschalters zur Folge, bei dem der Ausgang TRA hochohmig ist. Durch diese Maßnahme wird das Zusammenschalten mit anderen Stromkreisen erleichtert.

Unter der im normalen Betrieb zutreffenden Voraussetzung, daß die Ausgangsspannung am Ausgang TRA stets zwischen dem höheren und niederen logischen Pegel liegt, befinden sich die Steuerstromkreisc fest auf diesen Pegeln entsprechenden Potentialen Das bedeutet, daß die Massekapazitäten der Steuer-Stromkreise während eines Schaltvorgangs nicht umgeladen werden müssen, so daß eine außerordentlich hohe Schallgeschwindigkeit erreicht wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Pegelumschalter mit von Stromquellen, deren Ansteuerung und Speisung unabhängig voneinander sind, geschalteten Schaltdioden in symmetrischer Anordnung, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) die Schaltdioden sind in zwei Diodenbrücken in Graetz-Schaltung (Gl, Gl) angeordnet,

b) zur Ansteuerung der Stromquellen (Tl, TT) ist jeweils eine signalmäßige Reihenschaltung eines Impulstransformators ( 7V3, T/-4) und eines Flip-Flops (T3, TS bzw. T4, T6) vorgesehen,

c) die Speisung und Ansteuerung der Stromquellen (Tl, T2) ist potentialfrei ausgelegt.

2. Pegelumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranschlüsse der Diodenbrücken (Gl, Gl) an schaltbaren Stromquellen liegen, die aus von potentialfreien Spannungsversorgungen (Ql, QT) gespeisten Transistoren (Tl, TT) bestehen.

3. Pegelumschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgungen (Ql. Q2) aus transformationsgespeisten Gleichrichterbrücken bestehen.

4. Pegelumschalter nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Primärwicklungen der Impulstransformatoren (Tr3, Tr4) über Widerstände (All, RU) an Ausgänge je eines NOR-Gatter (NORl bzw. NOR2) angeschlossen sind und die NOR-Gatter (NORl und NORT) mit je einem ihrer Eingänge invers-parallel an einem Steuersignaleingang (INF) liegen.

5. Pegelumschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß je ein weiterer Eingang an beiden NOR-Gattern (NORl, NORl) an ein Sperrsignal anschließbar ist.

6. Pegelumschalter nach Anspruch ί oder einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (Tl, TT) und die Transistoren (T3, TS bzw. T4, T6) der Flip-Flops im Steuerteil für den hohen Pegel aus pnp-Transistoren und für den niedrigen Pegel aus npn-Transistoren bestehen.