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Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung
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Bezeichnung: Spitzenspannungsdetektor
Die Erfindung
betrifft einen Spitzenspannungdetektor wie er beispielsweise in der Deutschen Patentschrift
2 431 433 beschrieben ist und insbesondere eine Verbesserung eines derartigen Spitzenspannungsdetektors.
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Spitzenspannungsdetektoren dieser Art dienen der Feststellung des
Auftrittszeitpunktes von Spitzenwerten elektrischer Spannungen, deren Amplitude
normalerweise kleiner ist als die Amplitude von gleichgerichteten Signalen, die
für eine weitere Verwendung abgespeichert sind.
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Spitzendetektorschaltungen sind im allgemeinen bekannt. Für viele
Anwendungsgebiete ist die in der Deutschen Patentschrift 2 431 433 offenbarte Schaltung
ausgezeichnet. Durch Neuentwicklungen in der Halbleiterschaltungstechnik und bei
anderen elektronischen Bauelementen haben sich jedoch einige Schwierigkeiten eingestellt.
Eine Schwierigkeit besteht beispielsweise darin, daß Spannungsquellen mit relativ
stark unterschiedlichen Spannungen erforderlich sind. Ein weiterer Nachteil besteht
darin, daß die Schaltung Bauelemente und Schaltkreise mit einem relativ hohen Dynamikbereich
erfordert.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist die Spitzenspannungsdetektorschaltung
so aufgebaut, daß sie auf die Spannungs-oder Stromdifferenz zwischen einem ankommenden
Signal und dem eines elektrischen Energiespeichers anspricht. Die im Anschluß zu
beschreibende Schaltung ist an sich neu, jedoch sind der Anmelderin aus dem Stand
der Technik einige Merkmale bekannt, die auch in der erfindungsgemäßen Schaltung
Verwendung finden. Diese Merkmale sind in den US-Patentschriften 3 489 921 und 3
541 457 sowie in IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 16, Nr. 8, Januar 1974,
Seite 2606 enthalten.
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Die US-Patentschrift 3 489 921 zeigt dabei einen Spitzenspannungsdetektor
mit einer eingangsseitig angeordneten Filterschaltung,
an die zwei
Dioden für eine differentielle Aufladung eines Kondensators angeschlossen sind,
gefolgt von einer Vergleichsstufe, die bestimmt, in welcher Richtung der Kondensator
aufgeladen wird. Zwei in Emitterfolgeschaltung aufgebaute Transistorstufen liefern
zwei Veb Spannungsabfälle, über die der Speicherkondensator dem Eingangssignal folgt.
Dabei ist jedoch eingangsseitig kein Verstärker vorgesehen, der auf die Differenz
zwischen der auf dem Kondensator eingespeicherten Spannung und der Spannung des
Eingangssignals anspricht, um damit etwa die Anforderungen an die Versorgungsspannung
herabsetzen zu können.
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Die US-Patentschrift 3 541 457 und der Artikel aus IBM Technical Disclosure
Bulletin, Band 16, Nr. 8 von 1974 zeigen beide einen Spitzenspannungs- und Spannungsanstiegdetektor
mit einem in der Eingangsstufe angeordneten rückkopplungsfreien Verstärker mit hohem
Verstärkungsgrad, während bei der erfindungsgemäß aufgebauten Schaltung eingangsseitig
eine rückgekoppelte Verstärker schaltung mit kleinem Verstärkungsgrad angeordnet
ist. Außerdem ist die erfindungsgemäße Schaltung mit einer Verriegelungsstufe gekoppelt,
die bei zwei verschiedenen Spannungen umschaltet, wodurch sich eine gewisse Hysteresewirkung
ergibt, die im Stande der Technik fehlt. Diese Umschaltpotentiale hängen dabei nicht,
wie im Stande der Technik, vom Gleichspannungspegel des Eingangssignals ab, sondern
stehen in unmittelbarer Beziehung zu den Spitzenwerten des Eingangssignals, so daß
die Anzeige damit vom Gleichstrompegel, dem Offset-Pegel oder der Amplitude des
Eingangssignals unabhängig ist.
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Gemäß der Erfindung wird die zuvor indirekt angesprochene Aufgabe,
die sich im weiteren Verlauf der Beschreibung noch klarer abzeichnet, durch eine
Spitzenspannungsdetektorschaltung gelöst, bei der ein elektrisches Eingangssignal
mit
Spitzenwerten, dessen Auttrittszeitpunkte ermittelt werden sollen,
zwischen einer nicht invertierenden Eingangsklemme eines Differentialverstärkers
und einem Punkt mit festem Bezugspotential angelegt wird. Zwischen der invertierenden
Eingangsklemme des Differentialverstärkers und dem Punkt mit dem Bezugspotential
ist ein Energiespeicher in Form eines Kondensators oder einer Spule angeschlossen.
Das differentielle Ausgangssignal der Verstärkerschaltung wird über einzelne Verstärkerstufen
an den elektrischen Energiespeicher, vorzugsweise in Form eines Kondensators oder
einer Spule, angelegt und lädt bzw. entlädt diesen Energiespeicher gemäß der Augenblickspolarität
des elektrischen Eingangssignals. Ein nur in einer Richtung leitendes Impedanzelement,
wie beispielsweise eine in nur einer Richtung isolierende Diode oder ein Transisstor,
ist in den Ladestromkreis eingeschaltet und verhindert bei Steigungsumkehr des elektrischen
Signals eine Entladung. Die Verriegelungsstufe ist an der Detektorschaltung angeschlossen
und hält deren Ausgangssignal fest.
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Genauer gesagt, besteht die Spitzenspannungsdetektorschaltung gemäß
der Erfindung aus einem eingangsseitig angeordneten Differentialverstärker mit einem
Paar von Transistoren in Basis-Emitterschaltung mit einem Spannungsabfall, der eine
neutrale Zone oder eine Differenzspannung darstellt, um die die Spannung des Speicherelements
hinter der Eingangs spannung nacheilt, wenn die Spannung des Energiespeichers der
Eingangsspannung folgt. Die Eingangsspannung oder der Eingangsstrom wird dabei zwischen
der Basiselektrode eines Transistors und einem Punkt mit festem Potential angelegt,
während der Kondensator oder die Spule als Speicherelement zwischen der Basiselektrode
des anderen Transistors und dem Punkt mit festem Potential eingeschaltet ist. Ein
Lastwiederstand im Kollektorstromkreis des anderen Transistors
ist
mit der Emitterelektrode eines Verstärkertransistors verbunden, dessen Basiselektrode
gleichfalls an einem Lastwiderstand im Kollektorstromkreis des Verstärkertransistors
angeschlossen ist. An dem Lastwiderstand im Kollektorstromkreis des Verstärkertransistors
fällt eine Spannung zur Aufladung eines Kondensators ab, oder es fließt ein entsprechender
Strom durch eine Spule. Eine Halbleitervorrichtung ist zwischen dieser Kollektorelektrode
und dem Kondensator bzw. der Spule an der Basis des anderen Transistors angeschlossen,
so daß ein Rückstrom für eine Entladung des Speicherelementes über diesen Stromkreis
nicht fließen kann, wenn die Spitzenamplitude des Signals durchlaufen ist. Für viele
Anwendungsgebiete reicht hier eine Diode aus. Wird eine größere Ansteuerung gefordert,
dann wird ein weiterer Transistor für Verstärkung und einseitige Trennung in Kaskade
eingeschaltet. Ein weiterer Verstärkertransistor ist, jedoch in entgegengesetzter
Polung, mit den Lastwiderständen verbunden, und der Kollektorelektrodenstromkreis
wird über die Basis-Emitterstrecke eines weiteren Transistors vervollständigt, dessen
Kollektor-Emitterstrecke über einem Kondensator bzw. einer Spule liegt, und diesen
Energiespeicher entlädt, wenn das am Eingang liegende elektrische Signal negativ
gerichtet ist.
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An den Kollektorelektroden der Verstärkertransistoren ist eine Abfühlschaltung
angeschlossen, die eine Schmitttrigger-Verriegelungschaltung einstellt und rückstellt
und damit jeweils die Wirkung der Spitzendetektorschaltung festhält.
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Die Hystereseeigenschaften des Schmitttriggers können dabei, falls
erwünscht, auf einen Wert eingestellt werden, der der algebraischen Summe der Spannungsdifferenzen
entspricht.
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Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden
Merkmale der Erfindung
sind den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen
im einzelnen zu entnehmen.
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In den Leichnungen zeigt: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung, die dem
Verständnis der grundsätzlichen Arbeitsweise des Spitzenspannungsdetektors gemäß
der Erfindung dienen soll, Fig. 2 einige Diagramme, die dem Velständnis der anhand
Fig. 1 zu erläuternden Schaltung dienen sollen, Fig. 3 eine Grundschaltung gemäß
der Erfindung, Fig. 4 ein Diagramm, das die in Fiq. 3 auftretenden Signale darstellt,
Fig. 5 eine Schaltungsanordnung einer praktisch ausgeführten, gemäß der Erfindung
aufgebauten Schaltung, die gemäß dem in Fig. 3 dargestellten Prinzip arbeitet und
Fign. 6A u. 6B eine weitere Schaltungsanordnung einer praktischen Ausführungsform
der Erfindung für den Aufbau als integrierte Halbleiterschaltung.
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Eine Prinzipschaltung zur Erläuterung der grundsätzlichen Arbeitsweise
der Spitzenspannungsdetektorschaltung gemäß der Erfindung zeigt Fig. 1. Bei einem
an den Eingangsklemmen 10 und 12 angelegten Eingangssignal soll der Zeitpunkt des
Auftretens eines Spitzenwertes oberhalb und unterhalb einer neutralen Zone ermittelt
werden, die gemäß der Erfindung mit
dem Eingangssignal schwankt,
wie dies im folgenden noch näher erläutert wird. Die eine Eingangsklemme 10 ist
dabei an einem Verbindungspunkt 14 zwischen zwei Widerständen 16 und 18 angeschlossen.
Die anderen Enden dieser Widerstände sind jeweils an den gleichen Eingangsklemmen
eines Paars nicht rückgekoppelter Differentialverstärkerstufen 20, 22 angeschlossen,
deren andere beiden Eingangsklemmen gemeinsam an einem Punkt 24 angeschlossen sind.
Von diesem Punkt 24 aus sind zwei gegensinnig gepolte Dioden 26 bzw. 28 mit den
Ausgangsklemmen der Verstärkerstufen 20 bzw. 22 verbunden. An dem Punkt 24 ist außerdem
ein Kondensator 30 angeschlossen, dessen andere Klemme mit einer Konstantspannungsquelle
32 verbunden ist. Es sollte hierbei klar sein, daß die Auftrittszeitpunkte von Spitzenwerten
eines Eingangsstroms durch eine im wesentlichen gleichartig aufgebaute Schaltung,
wie sie soeben beschrieben wurde, festgestellt werden kann, wobei für die Stromspeicherung
eine Spule und eine Konstantstromquelle miteinander verbunden sind. In der bereits
erwähnten Deutschen Patentanmeldung 2 431 433 wurden an entsprechenden Verbindungspunkten
feste Bezugsspannungen aufrechterhalten, während dem Kondensator eine mit der Zeit
schwankende Spannung zugeführt wurde. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird an dem
Kondensator 30 eine feste Spannung V angelegt und an den c Verbindungspunkten 36
und 38 treten mit dem an den Eingangsklemmen 10 und 12 anliegenden Eingangssignal
schwankende Spannungen auf.
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Die in der erfindungsgemäß aufgebauten Schaltung auftretenden Spannungen
und Signale sind in Fig. 2 gezeigt. Das Eingangssignal, wie es bei den hier in Frage
kommenden Anwendungsgebieten typischerweise auftritt, ist bei 40 dargestellt.
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Die Kurve 42 stellt die obere Grenzspannung VUL am Verbindungspunkt
36 dar, während die Kurve 44 die untere Grenzspannung VLL am Verbindungspunkt 38
darstellt. Im Interesse der Klarheit sei darauf hingewiesen, daß nach Verstärkung
diese
Grenzspannungen VUL bzw. VLL als Kurven 42' bzw. 44' dargestellt sind. So wie die
Eingangsspannung IIN schwankt, so folgen auch die Grenzspannungen VUL und VLL dem
Spannungs abfall über den Widerständen 16 und 18. Die Verstärker 20 und 22 halten
dann die Spannung V24 am Verbindungspunkt 24 zwischen den beiden Grenzwerten, wie
dies durch die Kurve 46 dargestellt ist. Die am Verbindungspunkt 24 auftretende
Spannung V24 tritt nach Verstärkung als Kurve 46' auf, und die an den Verbindungspunkten
27 und 29 auftretenden Ausgangsspannungen der Verstärker 20 und 22 sind durch die
Kurven 48 und 49 dargestellt, aus denen man erkennt, wie die Verstärker 20 und 22
die Spannung V24 am Verbindungspunkt 24 steuern. Wenn der Kondensator 30 aufgeladen
werden muß, damit die Spannung V24 am Verbindungspunkt 24 größer oder gleich der
oberen Grenzspannung VUL wird, dann steigt die am Verbindungspunkt 29 auftretende
Ausgangsspannung des Verstärkers 22 soweit über die Spannung V24 an, daß die Diode
28 leitend wird. In gleicher Weise nimmt die Ausgangsspannung des Verstärkers 20,
V27 einen negativen Wert an und hält durch Entladung des Kondensators 30 über die
Diode 26 die Spannung V24 auf einem Wert, der kleiner ist als VuL oder gleich VUL.
Diese Grenzspannungen, die eine neutrale Zone darstellen, werden durch die Spannungsabfälle
über den Wiederstanden 16 und 18 erzeugt. Es gibt auch andere Anordnungen zur Erzeugung
derartiger Grenzspannungen, beispielsweise der Spannungabfall Vbe der Basis-Emitterstrecke
eines Transistors in Durchlaßrichtung. Eine solche Schaltung wird später beschrieben.
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Diese die Grenzwerte bestimmenden Spannungen werden auf ungefähr 0,6
V festgelegt und die neutrale Zone, die aus zwei solcher Spannungen mit einem unteren
und einem oberen Grenzwert zusammengesetzt ist, ist daher angenähert 1,2 V. Für
eine neutrale Zone von 1,2 V ist die Eingangssignalspannung VIN 12 V Spitze-Spitze
auf der Grundlage, daß die neutrale
Zone einen 10%gen Schwellwert
darstellt, was üblicherweise der Fall ist. Unter diesen Bedingungen wäre ein größerer
dynamischer Arbeitsbereich der Schaltung und höhere Betriebsspannungen erforderlich,
als bei sehr vielen Anwendungsgebieten überhaupt zur Verfügung stehen. Diese Schwierigkeit
läßt sich jedoch durch die Erfindung ausräumen, wie man dies aus der in Fig. 3 dargestellten
Grundschaltung der Erfindung erkennt.
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Eine Eingangsklemme des Eingangsverstärkers 50 ist an der Eingangsklemme
10 und die andere Eingangsklemme am Verbindungspunkt 24 angeschlossen. Bei dieser
Schaltungsanordnung liefert der Eingangsverstärker eine der Differenz zwischen der
Eingangsspannung VIN und der am Kondensator 30 liegenden Spannung VC proportionale
Ausgangsspannung. In dieser Schaltung werden die beiden Spannungsdifferenzen durch
die Batterien 52 bzw. 54 dargestellt, die eingangsseitig an den Verstärkern 20 bzw.
22 angeschlossen sind. Die Eingangsschaltung dieser Verstärker ist mit dem symmetrischen
Ausgang des Eingangsverstärkers 50 kreuzgekoppelt.
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Die für das Verständnis der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung
nützlichen Signale sind grafisch in Fig. 4 dargestellt. In einem üblichen Anwendungsbeispiel
beträgt die Eingangsspannung VIN 1,1 V Spitze-Spitze und die Spannungsverschiebungen
oder Spannungsdifferenzen betragen jeweils 0,6 V mit einem erwünschten Schwellwert
von 10 %, und die Verstärker schaltung 50 hat eine Spannungsverstärkung von 10,9.
Unter diesen Bedingungen kann die Eingangsspannung VIN niemals einen größeren Abstand
von der am Kondensator 30 liegenden Spannung VC von + 5 % oder 0,055 V aufweisen.
Verändert sich die Eingangsspannung über diesen Wert nach oben oder unten hinaus,
dann steigt oder fällt die Ausgangsspannung der Verstärkerschaltung über oder unter
+ 0,6 V, wodurch die Spannungsdifferenzen der Batterien 52 bzw. 54 unwirksam
gemacht
werden und einer der Verstärker 20 oder 22 in Tätigkeit tritt und damit verhindert,
daß diese Differenz gemäß der Erfindung größer wird. Die an den Eingangsklemmen
10, 12 auftretende Spannung ist durch die Kurve 60 dargestellt, während die am Kondensator
30 liegende Spannung durch die Kurve 62 dargestellt ist. Die differentielle Ausgangs
Spannung des Eingangsverstärkers 50 an den Anschlußpunkten 56 und 58 wird durch
eine weitere Kurve 64 dargestellt, die die Null-Achse 66 zu den Zeitpunkten schneidet,
bei denen die Augenblickswerte der Kurven 60 und 62 gleich sind. Für einen Vergleich
der Abschnitte der Kurven 66 und 68, die die an den Verbindungspunkten 27 bzw. 29
auftretenden Spannungen darstellen, wird die über dem Kondensator 30 liegende Spannung
wiederum durch eine Kurve 62' dargestellt. Diese Spannungen zeigen große Spannungsausschläge
von Spitze zu Spitze, wobei lediglich diejenigen Abschnitte dieser Spannungen in
der Nachbarschaft der am Kondensator 30 liegenden Spannung Vc dargestellt sind.
Aus diesen Kurven erkennt man, daß gemäß der Erfindung die Verstärkung des Eingangsverstärkers
50 und äußerdem die an den Verbindungspunken 56 und 58 liegenden Spannungsdifferenzen
die Schwellwertspannung der Spitzenspannungsdetektorschaltung bestimmen.
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In Fig. 5 ist eine schaltungsmäßige Ausführungsform dieser Grundschaltung
gezeigt. Der Eingangsverstärker 50' besteht dabei aus einem Paar Transistoren 72,
74, wobei die Basiselektrode des Transistors 72 an der Eingangsklemme 10 und die
Basiselektrode des Transistors 74 am Kondensator 30 angeschlossen ist. Eine Verstärkerschaltung
20' besteht aus zwei in Kaskade geschalteten Transistoren 82 und 84, wobei die Emitter-
und Basiselektroden des Transistors 82 an den Kollektorelektroden der Transistoren
72 bzw. 74 und die Kollektor- und Emitterelektroden des Transistors 82 über dem
Kondensator 30 angeschlossen sind. Eine weitere Verstärkerschaltung
22'
enthält einen Transistor 92, dessen Basis- und Emitterelektroden an den Kollektorelektroden
der Transistoren 72 und 74 angeschlossen sind. Die Kollektorelektrode des Transistors
92 ist über eine Diode 28 am Kondensator 30 und außerdem an einem Lastwiderstand
94 angeschlossen. Hier ist nur eine Diode 28 erforderlich, da die Verstärkerschaltung
20' nur für die Entladung des Kondensators dient. Dieser Verstärker kann nur als
Spannungssenke, nicht als Spannungsquelle arbeiten. Die Spannungsdifferenzen für
die Verstärker werden durch Unterschiede in den Basis-Emitterspannungen Vbe der
beiden p-n-p-Transistoren 82 und 92 dargestellt.
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Der Betriebszustand des Ladestromkreises der Spitzenspannungsdetektorschaltung
gemäß der Erfindung wird durch den Betriebszustand einer Halteverriegelungsschaltung
dargestellt. Der durch den Lastwiderstand 94 fließende Strom wird durch einen Transistor
102 abgefühlt, der einen die Ver riegelungsschaltung einstellenden Strom liefert,
während ein weiterer Transistor 104 an dem Transistor 84 angeschlossen ist und damit
den Entladestrom des Kondensators 30 abfühlt und einen Strom für die Rückstellung
liefert. Die Verriegelungsschaltung 110 enthält ein Transistorpaar 112 und 114.
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Ein weiteres Transistorpaar 116 und 118 ist zu Beginn in einem solchen
Betriebszustand, bei dessen Bedingungen die Basiselektrode des Transistors 112 auf
0,7 V unterhalb der Basiselektrode des Transistors 114 vorgespannt ist, so daß der
gesamte Emitterstrom 1 über den Transistor 114 und eine e Diode 120 fließt. Der
Transistor 122 übernimmt dabei den durch die Diode 120 fließenden Strom und dient
damit als Stromquelle für einen durch den Transistor 124 fließenden Strom von 200
)1A. Da die Transistoren 116 und 118 einen für den Transistor 124 und einen zugehörigen
Transistor 126 spiegelbildlichen Strom ziehen, dient der Transistor 116 als Stromsenke
für 200 pA, so daß der Transistor 112 gesperrt gehalten wird. Die Verriegelungsschaltung
110 ist dann eingestellt.
Wenn man das Potential an der Basiselektrode
des Transistors 118 absenkt, wird die Verriegelungsschaltung bei Abwesenheit eines
Einstellstromes dadurch zurückgestellt, daß der Strom in den Transistoren der Verriegelungsschaltung
vom Transistor 114 nach dem Transistor 112 umgeschaltet wird.
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Ein Schaltungsdiagramm einer vollständigen Spitzenspannungsdetektorschaltung
gemäß der Erfindung, die tatsächlich aufgebaut und geprüft worden ist, zeigt Fig.
6. Das Eingangssignal wird wiederum den Eingangsklemmen 10 und 12 zugeführt.
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Der Eingangsverstärker 150 besteht aus den Transistoren 151, 152,
153, 154, 155 und 156. Ein Ladeverstärker 140 für den Kondensator enthält die Transistoren
141 und 143 und einen Widerstand 142 von 4,3 Kiloohm. Der Entladeverstäker 130 für
den Kondensator enthält die Transistoren 131 und 132.
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Die Abfühlschaltung 160 für die Einstellung der Halteverriegelungsschaltung
besteht aus den Transistoren 161 und 162, die als Differentialverstärker geschaltet
sind. Dieser Verstärker stellt dabei den Beginn eines Stromflusses in dem 4,3 Kiloohm-Widerstand
142 fest. Wenn dieser Strom fließt, dann beginnt auch der Ladestrom des Kondensators
zu fließen.
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Dadurch wird die Basis des Transistors 161 höher vorgespannt, als
die Basis der Transistoren 162, und der gesamte von Transistor 163 gelieferte Strom
von 200 uA wird durch den Widerstand 164 in der Verriegelungsschaltung gezogen.
Auf diese Weise wird der zuvor erwähnte Einstellstrom erzeugt. Ein Transistor 166
wird für die Rückstellung der Verriegelungsschaltung wirksam. Dieser Transistor
fühlt dabei ab, wenn der Transistor 132 leitend wird, und bewirkt damit eine Rückstellung
der Verriegelungsschaltung 180. Diese Halteverriegelungsschaltung 180 besteht aus
den Transistoren 181 und 182 sowie zugehörigen Dioden und Transistoren.
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Die Leitungstreiberschaltung 190 besteht aus den Transistoren 191,
192 und 192 und liefert einen hohen Steuerstrom und eine hohe Spannungsamplitude
für die Ansteuerung einer externen Last. Die durch diese Treiberschaltung erzeugte
Ausgangsspannung zeigt dabei den Betriebszustand der Verriegelungsschaltung 180
an. An den Ausgangsklemmen 194 und 196 ist eine Ubertragungsleitung angeschlossen.
An den Klemmen 198 und 199 tritt ein logisches Ausgangssignal auf.
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L e e r s e i t e