DE2646501C3 - Pegelumschalter mit Schaltdioden in symmetrischer Anordnung - Google Patents

Description

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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 einsetzbär, Ein derärtigef Pegelumschalter soll Rechtecksignäle mit hoher Flankensteilheit und höher Frequenz bei variablen hohen Und niederen Pegeln abgeben. Er soll ohne Verstärkung hohe Amplituden erzeugen und bei niedrigem Innen widerstand gleichzeitig eine Kurzschlußstrombegrenzung üüfweiseri. Außerdem wird ein optimales Einsdhwingverhalten

erwartet.

In der DU-PS 2233612 ist eine Endstufe für einen Prüfsignalgeber beschrieben, bei dem ebenfalls fremdgesteuerte 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 1063 2C8 ist ein elektronischer Schalter mit einer Diodenbrücke beschrieben. Die Diodenbrücke 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 Diodenbriicke normalerweise nicht in einen Dauerzustand geschaltet werden kann. Zum Zweck der l.mschalturig 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. Da/u trägt zürn 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 Diodenbrucke 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 bisrabile 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 /\i liefern hat. Er muß deshalb auch für die Lieferung einer Schallleitung ausgelegt sein. Dieser Umstand verhindert, daß der Transformator auf größtmögliche Schaltgeschwindigkeit hin entworfen werden kann.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Pegelumschalter der eingangs beschriebenen Art zu schaffen) mit dem auch Dauerzustände geschaltet werden können, ohne daß die Sdialtzeiten dadurch

verlängert werden.

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

a) Die Schaltdioden sind in zwei Diodenbrücken in Graetz-Schaltung angeordnet.

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

c) Die Speisung der Ansteuerung der Stromquellen •ist potentialfrei ausgelegt.

Neben der Schaltung von Dauerzuständen bei größtmöglicher Umschaltgeschwindigkeit 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 DiodenfSuSspannung erreicht, weil beide Dioden eines Zweiges vom gleichen Strom durchflossen werden. Das hat einen geringeren Spannungsfehler auch bei wechselnden Ansteuerungen der Dioden zur Folge.

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

Zweckmäßig besteht die Versorgung der Gleich-Stromquellen aus je einer transformatorgespeisten Gleichrichterbrücke.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Primärwicklungen der Impulstransformatoren über Widerstände an Ausgänge je eines ODF.R-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 =in 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 Steuertei! des niederen Pegels dagegen sind npn-Transistoren.

Durch das Zusammenschalten /on zwei gleichartigen Diodengattern mit potentialfreier Ansteuerung zu einem Umschalter werden neben der Laststrombegrenzung auch Ausgleichströme bei überlagerter Ansteuerung zwischen der· beiden zu schaltenden Pegeln durch die Strombegrenzung der Diodenquartette begrenzt. Gleichzeitig w^:rd eine hohe Umschaltgeschwindigkeit erzielt. Die Steuerleistung ist dabei verhältnismäßig niedrig. Ebenso ist der Innenwiderstand des Schalters niedrig. Durch die Art der gewählten Steuerelektronik sind neben einem Impulsbetiieb auch Gleichenannungspegel für beliebig lange Zeit einstellbar.

Die Erfindung wird an Hand zweier Figuren erläutert:

Fig. 1 stellt das Prinzipschaltbild eines potentialfreien Diodenschalters mit einem Diodengatter in Graetz-Schaltung dar;

in Fig, 2 ist ein Ausführurigsbeispiel der Erfindung als Schaltbild dargestellt.

In Fig. 1 sind die Verbindungspunkte gegensinnig geschalteter Dioden pJnes Diodengatters D mit zwei Ausgangsklemmen einer Steuerelektronik St verbunden. Die Verbindungspunkte zweier gleichsinnig aufeinanderfolgender Dioden des Diodengatters D bilden einerseits den Eingang F, andererseits den Ausgang A des Diodenschalters. Die Steuerelektronik ist potentialfrei über Transformatoren Ülund Ul an eine Spannungsversorgung i/bzw. an ein Steuersignal 1 angeschlossen. Die Ansteuerung des Diodengatters D erfolgt durch einen von der Steuerelektronik abgegebenen eingeprägten Strom, der durch das Steuersigna! I geschaltet wird.

In Fig. 2 bestehen zwei Diodengatler Gl und G2 aus je vier Dioden D9, DlO, DH, D12 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 D12 aes Diodengatters Gl und zwischen den Dioden D14 und D16 des

-" Etiodengatters G2 gemeinsam an einer Ausgangv klemme TRA. Der Anschluß zwis^iien den beiden Dioden D9 und DH des Diodengattet^ Gl liegt über eine Drossel DrI an einer Klemme HI für einen hohen logischen Pegel. Der Anschluß zwischen den bei-

« den Dioden D13und D15 des Diodengatters G2 liegt über eile Drossel Dr2 an einer Klemme LO für einen logisch niederen Pegel. Die Steueranschlüsse des Diodengatters Gl, d. h. die Verbindungspunkte zwischen den einander entgegengesetzt gerichteten Di-

Jn öden D9 und DlO bzw. DH und ύ 12 sind an eine schaltbare Stromquelle, die aus einem Transistor 71. einem Widerstand Rl und einer potentialfreien Spannungsversorgung Ql besteht, angeschlossen. Ebenso liegt das Diodengatter G2 mit den Verbindungspunk-

J5 ten zwischen den Dioden D15 und D16 bzw. DIi und D14 an einer aus einem Transistor Tl und einem Widerstand Rl bestehenden und von einer potentialfreien Spannungsversorgung Ql gespeisten schaltbaren Stromquelle. Die Spannungsversorgung^* bestehen jeweils aus einem Transformator TrI bzw. TrI. deren Primärwicklungen en eine Wechselspannung von beispielsweise 6 V bei einer Frequenz von 3 MH/ angeschlossen sind und aus mit Sekundärwicklungen der Transformatoren TrI und TrI verbundenen üblichen Gleichrichterbrückenschaltungen, die eine Vollweg-Gleichrichtung ergeben. Die Ausgangsklemmen der Gleichrichter sind über Glattungskondensatoren Cl bzw. Cl miteinander verbunden. Die Basiselektrode des Transistors 71, der ein pnp-Transistor ist.

liegt an einem Ausgang eines Flip-Flops, der aus pnp-Transistoren 73 und T5 besteht. Die Emitter der beiden Transistoren liegen parallel an der einen Klemme der Spannungsversorgung Ql. Ihre Kollektoren liegen über Kollektorwiderstände Ri bzw. R9 an der anderen Klemme der Spannungsversorgung Ql. Analog ist uie Basiselektrode des Transistors Tl, der ein npn-Transistor ist. mit dem Ausgang eines aus zwei weiteren iipn-Transistoren TA und 7'6 bestehenden zweiten Flip-Flops verbunden. Die Emitter der Flip-Fiop-Transistoren liegen parallel an der einen Ausgangsklemme der Spannungsversorgung Ql und ihre Kollektoren über Kollektorwiderstäude i?4 bzw. .RIO an der anderen Ausgangskiemme der Spannungsversorgung Q2. Die Transistoren Ti, TS bzw.

T4, T6 der Flip-Flops sind auf die übliche Weise über Widerstands-Kondensatorkombinationen von den Kollektoren auf die Basiselektroden der jeweils anderen Transistoren der Flip-Flops rückgekoppfeit. Die

Flip-Flops werden symmetrisch über Impulstransformatoren 7r3 bzw. 7/4 angesteuert. Dabei liegt eine Sekundärwicklung des Transformators 7/-3 über zwei Kondensatoren Cl bzw. C9 an den Basiselektroden der Transistoren 75 bzw. 73. Eine Sekundär- "> wicklung des Transformators 7r4 liegt analog über Kondensatoren CS bzw. ClO an den Basiselektroden der Transistoren 76 bzw. 74. Primärwicklungen der Impulstransformatoren 7/3 und 7/·4 liegen einerseits "über Widerstände RIl und R12 an Ausgängen zweier i" NOR-Gatter NORl und NGR2< andererseits gemeinsam an Massen Je zwei Eingänge der NOR-Gatter NORl und NOR2 liegen parallel an einer Klemme INH, der ein Sperrsignal zugeführt werden kann. Ein anderer Eingang des NÖR-Gatters NORl liegt unmittelbar und ein anderer Eingang des NÖR-Gatters NOR2 über einen Inverter IN an einer Klemme INF, derein Steuersignal zugeführt wird. _ _

Über die zwei invefs angesteuerten NÜR-Uätter NORl und NOR2 gelangt das Steuersignal von der Klemme IFF auf die Primärseiten der Impulstransformatoren 7/3 bzw. 7r4. 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. An den Kollektoren derTransistoren 73 bzw. 74 entsteht damit ein Rechtecksignal, dessen Amplitude durch Spannungsteiler aus den Widerständen A3 und RS bzw. R4 und R6 bestimmt wird. Das Rechtecksignal wiederum gibt den Verlauf des Steuerstromes vor, der über die Transistoren 71 bzw. 72 die Diodengatter Gl bzw. G2 öffnet. Mit den Diodengattern Gl und G2 werden die Pegeleingänge Ht bzw. LO auf den Ausgang TRA durchgeschaltet.

Ein auf die NOR-Gatter NORl und NOR2 einwirkendes Sperrsignal am Eingang INH bringt die Flip-Flops gleichzeitig in eine solche Lage, daß beide Diodengatter Gl und G2 stromlos sind. Dies hat einen neutralen Zustand des Pegelumschalters zur Folge, hei 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 Äusgangsspannung am Ausgang TRA stets zwischen dem höheren und niederen logischen Pegel liegt, befinden sich die Steuerstromkreise fest auf diesen Pegeln entsprechenden Potentialen. Das bedeutet, daß die Massekapazitäten der Steuer-Stromkreise während eines Schaltvorgangs nicht üitigeladen werden müssen, so daß eine außerordentlich hohe Schaltgeschwindigkeit erreicht wird.

Hierzu 2 Blatt Zcicliiiunaen

Claims (6)

Patentansprüche:

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

a) die Schaltdioden sind in zwei Diodenbrücken

in Graetz-Schaltung (Gl, G2) angeordnet, i"

b) zur Ansteuerung der Stromquellen (71, 72) ist jeweils eine signalmäßige Reihenschaltung eines Impulstransformators (7>3, 7r4) und eines Flip-Flops (73, 75 bzw. 74, 76) vorgesehen, i>

c) die Speisung und Ansteuerung der Stromquellen (71, 72) ist potentialfrei ausgelegt.

2. Pegel umschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranschlüsse der DiodenbrücKcn (Gl, G2) an schaltbaren StromqucHen liegen, die aus von potcntialfrcien Spannungsversorgungen (Ql, Ql) gespeisten Transistoren (71, 72) bestehen.

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

4. Pegelumschalter nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Primärwicklungen der Impulstransforma Men (7r3, Tr4) über Widerstände (RIl, RIl) an Aussänge ie eines NOR-Gatter (NORl bzw. NORl) angeschlossen sind und die NOR-Gatter (NORl und NORl) mit je einem ihrer Eingänge invers-parallei 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 1 oder einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (71, 72) und die Transistoren ( 73. 75 bzw. 74, 76) der Flip-Flops im Steuertei! für den hohen Pegel aus pnp-Transistoren und für den niedrigen Pegel aus npn-Transistoren bestehen.