DE2834394A1

DE2834394A1 - Hochleistungsschaltverstaerker

Info

Publication number: DE2834394A1
Application number: DE19782834394
Authority: DE
Inventors: Richard H Baker
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1977-08-31
Filing date: 1978-08-05
Publication date: 1979-03-15
Also published as: FR2402350A1; SE7809161L; FR2402350B1; CA1127250A; US4125814A; GB1603550A; JPS5438545A

Description

L)R. KARL TH. HEGEL ■ E'IPL.-INO. KLAOS DICKEL

PATENTANWÄLTE

HAMBURG SO GROSSB BERGSTRASSE 223 8 MÜNCHEN 6O JULIUS-KREIS-STRASSE 33 POSTFACH 500662 TELEFON (O 4O) 3Θ6285 TELEFON (O 89) 88 52IO

Telegramm-Adresse: Doellnerpatent München

THt· Zeichen: Unser Zeichen: 8OOO München, den

H 2849

Exxon Research And Engineering Company P. 0. Box 55
Linden, N. J. 07036
V. St. A.

Hochleistungsschaltverstärker

309811/0685

Postscheckkonto X Hamburg 291220-205 · Banks Dresdner'Bsnk AG. Hamburg, Kto.-Nr. 3 813 897

DR. KARL TH. HEGEL · DIPL.-ING. KLAUS DICKEL

PATENTANWÄLTE

HAMBURG SO GROSSE BERGSTRASSE 223 8 MÜNCHEN 60 JUUUS-KREIS-STRASSE POSTFACH 500662 TELEFON (O 4O) 38 62 95 TELEFON (O 89) 88 52 IO

Telegramm-Adresse: Doellnerpatent München Ihr Zeichen: Unser Zeichen: 8OOO München, den

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft einen Schaltstromkreis und hierbei im besonderen einen Schaltverstärker, wobei es sich bevorzugt um einen Hochleistungsschaltverstärker handelt.

Viele der gegenwärtig eingesetzten Hochleistungshalbleiter— Schaltverstär&er oder -schaltungen besitzen in ihren Ausgangsstufen eine Kombination von NPN und PNP Transistoren. PNP-Transistoren können nicht mit der Strom-, Spannungs-, Leistungs- und Geschwindigkeitswirksamkeit hergestellt werden, die derjenigen der NPN-Transistoren entspricht. Diese Unterschiede in den Fähigkeiten beruhen im wesentlichen auf den relativen Materialeigenschaften und hauptsächlich auf der geringen Mobilität der Löcher

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Postscheckkonto: Hamburg 291220-205 · Bank: Dresdner Bank AO. Hamburg, Kto.-Nr. 3 813 8Θ7

in dem N-Typ Basisbereich des PNP Transistors, relativ zur Beweglichkeit der Elektronen in dem P-Typ Silicium in der Basis der NPN-Transistoren. Mit Hilfe der gegenwärtigen Technologie sind nunmehr NPN-Transistoren verfügbar, die oberhalb von 600 Volt arbeiten bei einer Stromstärke bis zu etwa 100 Ampere, während PNP-Transistoren auf etwa 20 Ampere bei 100 Volt beschränkt sind und auf lediglich 5 Ampere bei 250 Volt. Dementsprechend werden die Grenzen der Stromstärke, der Spannung und der Leistung von Schaltverstärkern, die sowohl mit PNP-Transistoren als auch mit NPN-Transistoren in ihren Ausgangsstufen bestückt sind, durch die PNP-Transistoren bestimmt.

In Kenntnis dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Schaltstromkreis solchermaßen aufzubauen, daß die eingangs genannten Beschränkungen des Standes der Technik nicht mehr bestehen. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Ausgangsstufe des Hochleistungsschaltstromkreises oder -Verstärkers lediglich NPN-Transistoren verwendet, wodurch die NPN-Transistoren nunmehr bei der maximalen Spannung, Stromstärke und Leistung betrieben werden können.

Der erfindungsgemäße Schaltstromkreis besitzt als Ausgangsstufe einen Hochleistungsschaltverstärker mit einer geerdeten Kollektor NPN-Transistorschaltung, die durch Einschalten eines NPN-Schalttransistors getrieben wird, zum Anschluß einer Rückkopplungsschaltung einer Gleichstromspannungsquelle von der Emitterelektrode zur Basiselektrode der NPN-Schaltung über den

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Hauptleitungsweg des NPN-Schalttransistors.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigt im einzelnen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines herkömmlichen PNP/NPN-Schaltverstärkers,

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines herkömmlichen NPN/PNP-Schaltverstärkers,

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines herkömmlichen NPN/NPN-PNP-Schaltverstärkers,

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 6 ein schematisches Schaltbild einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung. .

In Fig. 1 ist ein herkömmlicher Schaltverstärker mit einem PNP/NPN-Aufbau dargestellt zur Bereitstellung einer Spannungsund Stromverstärkung, Beim Betrieb wird ein an die Steuer-

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klammer 1 angelegtes Steuersignal "mit positivem Niveau über den Hochspannungsverstärker 3 an die Basis des PNP-Transistors 5 und die Basis des NPN-Transistors 7 über den Eingangswiderstand 9 angelegt. Der Transistor 5 wird in einem nichtleitenden Zustand gehalten oder abgeschaltet, und der Transistor 7 entsprechend dem Steuersignal mit positivem Niveau eingeschaltet. Wenn der Transistor 7 derart eingeschaltet wird, fließt der Strom von der Betriebsspannungsklemms9a, an welcher eine Betriebsspannung + V anliegt, über die Basis-Emitterstromwege der PNP-Tranistoren 11 und 13 (diese Transistoren sind als ein PNP-Darlington Verstärker aufgebaut), den Belastungswiderstand 15, den Hauptstromweg des Transistors 7 zur Klemme 17, die an ein Bezugspotential angeschlossen ist, wobei es sich in diesem Fall um eine Erdung handelt. Auf diese Weise werden die Transistoren 11 und 13 eingeschaltet und legen die positive Spannung + V an die Ausgangsklemme 19. Wenn das Niveau des an die Eingangs- oder Steuerklemme 1 angelegten Steuersignals von einem hohen auf ein niedriges Niveau ändert (beispielsweise Erdung oder eine negative Spannung) wird der Transistor 7 abgeschaltet und der PNP-Transistor 5 wird eingeschaltet. Bei diesem Schaltzustand fließt der Strom von der Klemme 9a über den Hauptstromweg des Transistors 5, den Widerstand 15, die Basis-Emitterverbindungen der NPN-Transistoren 21 und 23 zur Klemme 17, wodurch die NPN-Darlington Schaltung 21, 23 eingeschaltet wird. Da der Transistor 5 leitend ist, hält er die Darlington-Schaltung 13, 11 in abgeschaltetem Zustand. Das Einschalten der NPN-Darlington Schaltung 21, 23 bewirkt, daß die Ausgangsklemme 19 im wesentlichen an das Erdpotential über

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die Hauptleitung des NPN-Transistors 23 angeschlossen ist. In dieser Weise wird die Ausgangsklemme 19 zwischen einem positiven Niveau der Spannung + V und der Erdung geschaltet. Die Dioden 25 und 27a sind vorgesehen, um einen bilateralen Betrieb des Stromflusses in beiden Richtungen zwischen der Ausgangsklemme 19 und den Klemmen 19 und 17 zu ermöglichen.

' Da die Transistoren 5, 7, 11 plus, 13, 21 plus und 23 als geerdete Emitterschaltverstärker angeschlossen sind,wird durch diesen nicht-linearen Schaltstromkreis sowohl eine Stromais auch eine Spannungsverstärkung erzielt. Die Spannung + V ist auf ein Niveau von 100 Volt beschränkt, und der Strom, der der Ausgangsklemme 19 zugeführt werden kann, ist auf eine Stärke von etwa 20 Ampere begrenzt, wodurch die

Leistungsgrenze der Schaltung bei etwa 2 Kilowatt liegt. Diese Betriebsbeschränkungen beruhen auf den Spannungs-, Strom- und Lejstungseinschränkungen der PNP-Transitoren 11 und 13. Es ist noch herauszustellen, daß der Hochspannungsverstärker 3 erforderlich ist, da die Basiselektrode des Transistors 5 bei einem Spannungsniveau von 1V__E unter +V betrieben wird, wenn der Transistor 5 eingeschaltet ist (wobei 1V_BF der Spannungsabfall über die Basis-Emitterverbindungeines leitenden Transistor, in diesem Fall Transistor 5, ist). Der Transistor 5 wird abgeschaltet, indem man eine Spannung an dessen Basiselektrode legt, die größer oder gleich +V ist.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind die Widerstände 15 und 19 gemäß Fig. 1 fortgelassen, und die Schaltung

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ist gemäß einer anderen bekannten Schaltung als NPN/PNP-Schaltverstärker aufgebaut. Bei diesem Aufbau legt, wenn ein Kontrollsignal der Steuerklemme 1 zugeführt wird, der Verstärker 3 an den Punkt X eine Spannung mit dem Niveau +V+3V_ß , womit der NPN-Transistor 7 und die NPN-Darlington Schaltung 21, 23 eingeschaltet werden und imwesentlichen die positive Spannung +V an die Ausgangsklemme 19 legen. Die Transistoren 5, 11 und 13 werden zu dieser Zeit ausgeschaltet. Wenn sich das Niveau des Steuersignals auf das Erdpotential oder ein negatives Niveau ändert, werden derTransistor 5 und die PNP-Darlington Schaltung 11, 13 eingeschaltet, um im wesentlichen die Ausgangsklemme 19 zu erden, wobei die Transistoren 7, 21 und 23 zu dieser Zeit ausgeschaltet werden. Alle Transistoren 5, 7, 11, 13, 21 und 23 werden als geerdete Kollektorschaltung oder -verstärkung geschaltet, wodurch lediglich eine Strom verstärkung bereitgestellt wird. Mittels dieser Schaltung wird im wesentlichen keine Spannungsverstärkung erzielt, da die an die Basiselektroden dieser Transistoren gelegte Spannung, um sie einzuschalten, im wesentlichen die gleiche ist, die an den Emitterelektroden der Transistoren anliegt, wenn diese eingeschaltet sind. Zuvor ist die Schaltung gemäß Fig. 2 hinsichtlich der Stromstärke auf etwa 20 Ampere und der Spannung auf etwa 100 Volt beschränkt, womit die Leistungsgrenze bei etwa 2 Kilowatt liegt, infolge der beschränkten Fähigkeiten der PNP-Transitoren 11 und 13.

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In Fig. 3 ist ein weiterer Schaltverstärkerstromkreis dargestellt, der als NPN/NPN-PNP-Schaltung bekannt ist. Hierbei wird ein NPN-Darlington Verstärker 27, 29 durch einen PNP-SchaltibransiStor mit geerdetem Emitter getrieben. Bei dieser Schaltung kann es sich bei dem PNP-Transistor 31 um einen Hochspannungs-NiederleJscungstransistor handeln, der dementsprechend bei einem höheren Spannungsniveau betrieben werden kann als die PNP-Transistoren 5 in den Schaltungen gemäß den Fig. 1 und Der PNP-Transistor 31 kann bei Spannungen bis zu etwa 250 Volt betrieben werden, bei einem Kollektor-Emitterstrom 1-,^ von etwa 5 Ampere. Der PNP-Transistor 31 begrenzt jedoch nach wie vor den Schaltverstärkerstromkreis auf einen Niederfrequenzbetrieb (geringe Schaltgeschwindigkeit), da für einen Hochfrequenzbetrieb (hohe Schaltungsgeschwindigkeit bei der Umschaltung) der NPN-Darlington Verstärker 27, 29 um einen Faktor von 5 übersteuert werden muß, d. h., es müssen etwa 50 Ampere in die Basiselektrode des NPN-Transistors 27 geschickt werden, um den NPN-Darlington Verstärker 27, 29 während des schnallen Umschaltens bei einer Stromstärke von 250 Ampere zu betreiben (unter der Annahme, daß die Umschaltstromverstärkung des Darlington Verstärkers 27, 29 bei etwa 5 liegt). Das an die Steuerklemme angelegte Steuersignal wird über den Hochspannungsverstärker 35 der Basis des Transistors 31 und über den Eingangswiderstand 38 der Basiselektrode des NPN-Transistors 37 zugeführt. Wenn das Niveau des Steuersignals hinreichend positiv ist, wird der NPN-Darlington Verstärker 37, 39 eingeschaltet, um die Ausgangsklemme 41 im wesentlichen über den Hauptstromleitungsweg

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des NPN-Transistors 39 (der zwischen der Ausgangsklemme 41 und der Erdklemme 43 liegt) zu erden. Zu diesem Zeitpunkt spricht der Hochspannungsverstärker 35 auf das positive Steuersignal an, indem eine Spannung, die im wesentlichen der Spannung +V (angetget an die Betriebsspannungsklemme 45) entspricht, an die Bsa.selektrode des Transistors 31 angelegt wird, um diesen Transistor 31 in abgeschaltetem Zustand zu halten. Wenn das Spannungsniveau des Steuersignals im wesentlichen beim Erdpotential oder darunter liegt, wird der NPN-Darlington Verstärker 37, 39 abgeschaltet, und der Hochspannungsverstärker 35 legt eine Spannung, die mindestens 1V„_E unter der Spannung +V liegt, an die Basiselektrode des Transistors 31, womit der Transistor 31 eingeschaltet wird. Wenn der Transistor 31 sich in dieser Weise einschaltet, verbindet er im wesentlichen die Betriebsspannung +V über dessen Hauptstromleitungsweg an den Widerstand 47 und die Basiselektrode des NPN-Transiators 27, Der Strom fließt von der Klemme 45 über den Hauptstromleitungsweg des Transistors 31 zur Basislektrode des Transistors 27 und bewirkt ein Einschalten des NPN-Darlington-Verstärkers 27, 29, um die Betriebsspannung +V an die Ausgangsklemme 31 im wesentlichen über den Hauptstromleitungsweg des Transistors 29 zu legen. Der NPN-Darlington Verstärker 27, 29 stellt eine Stromverstärkung zur Verfügung (geerdete Kollektorverbindung), und der NPN-Darlington Verstärker 37, 39 erzeugt sowohl eine Strom- als auch eine Spannungsverstärkung (geerdete Emitterschaltung). Die Dioden 49 und 51 besitzen den gleichen Zwecfe wie ihre Gegenstücke in den Schaltungen gemäß den Fig. 1 und

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Ein wesentliches Merkmal der herkömmlichen Schaltungen gemäß den Fig. 1 bis 3 liegt darin, daß die NPN-Transistoren in der Ausgangsstufe nicht bei ihrem maximal verfügbaren Strom-, Spannungs- und Leistungsnieau betrieben werden können, da ihnen infolge der notwendigen Verwendung von PNP-Transistoren Beschränkungen auferlegt werden.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die herkömmlichen Schaltstromkreise oder Verstärker gemäß den Fig. 1 und 2, die als PNP/NPN bzw. NPN/PNP-Schaltungen ausgelegt sind, am besten in Njaderspannungsanwendungsbereichen (geringer als 100 Volt) und einem Leistungsniveau bis zu etwa 2 Kilowatt eingesetzt werden. Der NPN/NPN-PNP-Schaltverstärker gemäß Fig. 3 eignet sich für einen Einsatz bis zu 250 Volt bei einem Leistungsniveau von bis zu 5 oder 6 Kilowatt. Für höhere Spannungen oder Leistungen sind PNP-Schalttransistoren, wie oben erläutert, nicht verfügbar und dementsprechend wird der Stromkreis-aufbau mit wachsendem Leistungsniveau komplizierter.

In Fig. 4 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt, mittels welcher ein verbesserter Hochleistungsschaltverstärker geschaffen wird, der lediglich NPN-Transistoren verwendet. Im Vergleich zu der herkömmlichen Schaltung gemäß Fig. gestattet die Verbesserung den Betrieb des NPN-Darlington Verstärkers 27, 29 durch einen NPN-Transistor 53 anstelle eines PNP-Transistors 31. Eine Schwebspannungsquelle mit einer Batterie 55 führt in einer Rückkopplungsschaltung Energie über einen

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Widerstand 57 und den Hauptstromweg des NPN-Transistors 53 zu, um die Basis des NPN-Transistors 27 zu treiben, wie im einzelnen noch erläutert werden wird. Andere Änderungen im Hinblick auf die Schaltung gemäß Fig. 4 im Vergleich mit derjenigen der Fig. 3 umfaßt das Ersetzen des nicht invertierenden Hochspannungsverstärkers 35 durch einen invertierenden Hochspannungsverstärker 59 und die zusätzliche Anordnung eines Isolierwiderstancäes 61, der zwischen der Ausgangsklemme des invertierenden Hochspannungsverstärkers 59 und der Basiaelektrode des NPN-Schalttransistors 53 angeschlossen ist. Wenn ein Steuersignal mit dem Spannungsniveau des Erdpotentials oder einem negativen Niveau an die Steuer- oder Eingangsklemme 33 angelegt ist, wird der zweite NPN-Darlington Verstärker 37, 39 abgeschaltet und der invertierende Hochspannungsverstärker 59 spricht an durch das Anlegen eines Signals mit positivem Niveau über den Isolierverstärker 61 an die Basiselektrode des NPN-Schal transistors 53 und schaltet den Transistor 53 ein. Wenn der Transistor 53 sich in dieser Weise einschaltet, fließt der Strom von der Schwebspannungsquelle 55 zu der Basisklemme des Transistors 27, der den NPN-Darlington Verstärker 27, 29 einschaltet, um ein positives Ausgangssignal an die Ausgangsklemme 41 zu legen. Das Niveau dieses Ausgangssignals ist im wesentlichen gleich dem Niveau der Betriebsspannung +V,abzüglich des Spannungsabfalles V„„ über die Kollektor-Emitterelektroden des NPN-Transistors 29. Aufgrund der Verbindung der negativen Klemme der Gleichstrom Spannungsquelle 55 (in diesem Beispiel eine Batterie) mit der Ausgangsklemme 41, im wesentlichen in dem Augenblick, in dem die Spannung an der Ausgangsklemme 41 positiv geschaltet wird, wird

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die Gleichspannungsquelle 55 positiv und führt der Basiselektrode des NPN-Transistors 27 über einen Leitungsweg einschließlich des Widerstandes 57 und des Hauptstromweges des NPN-Transistors 53 Strom zu, um den Darlington Verstärker 27, 29 solange eingeschaltet zu halten, wie der Transistor 53 eingeschaltet ist. In anderen Worten, sobald das Spannungsniveau an der Ausgangsklemme 41 positiv wird, führt die Gleichspannungsquelle eine Spannung an die Basis des NPN-Transistors 27 (diese Spannung besitzt ein Niveau, das größer ist als ein Wert, der dem Niveau der Ausgangsspannung + 2V_QE für die Transistoren 27, 29 gleich ist plus dem V-, Spannungsabfall über die Kollektor-Emitterelektroden des Transistors 53 und dem Spannungsabfall über den Widerstand 27), um den Strom der Basiselektrode des NPN-Transistors 27 zuzuführen, um den Darlington Verstärker 27, solange in Sättigung eingeschaltet zu halten, wie der Transistor 53 eingeschaltet ist. Der Darlington .Verstärker 27, 29 ist in einerEmitterfolgeschaltung oder in einer als geerdete Kollektorschaltung bekannten Weise angeschlossen, die erfordert, daß für ein bestimmtes angestrebtes Ausgangsspannungsniveau ein Spannungsniveau an die Basiselektrode des NPN-Transistors 27 angelegt werden muß, das größer ist als das angestrebte Niveau der Ausgangsspannung um mindestens 2V_ßE der Transistoren 27, 29. Das in Fig. 4 dargestellte Verfahren unter Verwendung einer Schwebspannungsquelle 55, die in einer Rückkopplungsschleife angeschlossen ist, ermöglicht die großen Spannungsschwankungen, die an der Basiselektrode des geerdeten Kollektor-NPN- Darlington Verstärkers 27, 29 in der Ausgangsstufe um ein relativ hohes Niveau der Ausga^:g_Sgp_annung _zu

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erreichen, ohne die Verwendung eines PNP-Transistors, wie in der Schaltung gemäß Fig. 3. Wie bereits zuvor beschrieben,· begrenzt der in Fig. 3 dargestellte PNP-Transistor 31 das Niveau der Betriebsspannung +V auf etwa 250 Volt, wodurch wiederum das Niveau der Ausgangsspannung, die an der Ausgangsklemme 41 erreichbar ist, auf grade unterhalb 250 Volt begrenzt wird. Gemäß dieser ersten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 4 dargestellt ist, kann ein wesentlich höheres Niveau der Ausgangsspannung und -leistung erzielt werden durch die Verwendung des NPN-Transistors 53, der beispielsweise auf 600 Volt ausgelegt sein kann. Auch wenn ein Hochleistungsbetrieb zusammen mit einem Hochspannungsbetdeb erforderlich ist, können für den NPN-Darlington Verstärker 27, 29 600 Volt, 100 Ampere NPN-Transistoren 27 und 29 eingesetzt werden. Dementsprechend kann mittels der in Fig. 4 dargestellten Schaltung eine Ausgangsspannung von etwa 600 Volt zur Verfugung gestellt werden, mit einem Ausgangsstrom von einer Stärke bis zu etwa 100 Ampere. In ähnlicher Weise können innerhalb der geerdeten Emitter NPN-Darlington Verstärkers 37, 39 Hochleistungs NPN-Transistoren vorgesehen sein für einen Verbrauch bis zu 100 Ampere von der Ausgangsklemme 41 auf das Erdpotential, wenn beispielsweise eine Belastungsimpedanz zwischen der Ausgangsklemme 41 und dem Gleiehstromspannungsniveau von etwa 600 Volt angeschlossen wird. Der Ersatz eines PNP-Transistors durch einen NPN-Transistor 53 und die Gleichstromschwebspannungsquelle 55 schaffen einen ^Leistungsschalter invertierter Polarität" für einen neuen Schaltverstärker oder eine Schaltung im Hinblick auf die herkömmlichen Schaltungen, die PNP-Transistoren vawenden. Es ist

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noch herauszustellen, daß die Schaltung gemäß Fig. 4, die zwar in erster Linie für Höchleistungsschaltsätze vorgesehen ist, auch für Niederleistungsschaltbereiche eingesetzt werden kann, wie z.B. hohe Spannung bei niedriger Stromstärke, hohe Stromstärke bei niedriger Spannung, oder niedrige Spannung und niedrige Stromstärke, wobei die .NPN-Transistoren entsprechend als Niederleistungstransistoren ausgelegt sind, wie es die Erfordernisse bestimmen.

Bei der in Fig. 5 dargestellten zweiten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um eine Modifizierung der Schaltung gemäß Fig. 4, wobei drei Dioden 63, 65, 67, zwei Widerstände 69, 71 sowie ein Kondensator 73, wie dargestellt, angeschlossen sind, um eine Gleichstromschwebespannungsquelle zur Verfügung zu stellen, in Ersatz der Gleichstromspannungsquelle 55 und deren Rückkopplungselemente einschließlich des Widerstandes und des NPN-Transistors 53. Wenn während des Betriebes ein Steuersignal mit einem positiven Spannungsniveau an die Steuerklemme 33 angelegt wird, spricht der NPN-Darlington Verstärker 37, 39 durch Einschalten an, und der invertierende Hochspannungsverstärker 59 erzeugt ein Ausgangssignal mit dem Erdpotential oder einen negativen Spannungsniveau, wodurch der Punkt A geerdet ist oder in etwa dieses negative Spannungsniveau annimmt. Zu dieser Zeit ist der Darlington Verstärker 27, 29 durch das Signal im Punkt A £>geschaltet und die Sperrdioden 63, 65 und 67 werden in Vorwärtsrichtung betrieben. Der Strom kann von der Betriebsspannungsklemme 45 durch die Reihenschaltung über die Dioden 63, 65, 67, die Widerstände 61, 69, den Kondensator 73 und die Darlington Schaltung 37, 39 der Klemme 43 zufließen.

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Dieser Stromfluß lädt den Kondensator 73 mit einer Geschwindigkeit auf, die bestimmt wird durch das Produkt des Gesamtwiderstandes in der vorerwähnten Reihenschaltung mal dem Wert der Kapazität des Kondensators 73. Zur gleichen Zeit fließt Strom von der Klemme 41 durch die Dioden 63 und 65, wodurch der nach vorn gerichtete Spannungsabfall über die Dioden 63 und 65 ■ die Darlington Transistoren 27, 29 abgeschaltet hält. Bei dem Ladebetrieb entwickelt der Kondensator 73 einen Spannungsabfall mit der angezeigten Polarität und nähert sich dem Niveau der Betriebsspannung +V während des Aufladens des Kondensators 73. Wenn sich das Niveau des Steuersignals auf das Erdpotential oder ein negatives Niveau ändert, wird der Darlington Verstärker 37, 39 abgeschaltet und der invertierende Verstärker 59 spricht durch ein Anheben des Ausgangssignalniveaus an, auf ein positives Spannungsniveau, das hinsichtlich seiner Größe hinreicht, um die Dioden 63 und 65 zurückzuschalten. Durch das positive Niveau des Signals, das sich jetzt im Punkt A befindet, schaltet sich der NPN-Darlington Verstärker 27, 29 ein, um das Spannungsniveau der Ausgangsklemme 41 positiv zu machen. Sobald das Spannungsniveau an der Ausgangsklemme 41 po&itiv wird, wird die Diode 67 rückwärts geregelt und der Kondensator 73 beginnt sich über eine Rückkopplungsschaltung einschließlich des Widerstandes 71 zu entladen in die Basiselektrode des NPN-Transistors 27 und führt außerdem eine hinreichende Spannungsamplitude über den Widerstand 71 an dieser Basiselektrode des NPN-Transistors 27, um den NPN-Darlington Verstärker 27, 29 in Sättigung zu halten und das Auegangssignal an der Ausgangsklemme 41 auf ein Niveau

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zu treiben, das sich der Betriebsspannung plus V nähert. Die Diode 67 verhindert außerdem, daß sich der Kondensator 73 über den Hauptstromweg des Darlington Verstärkers 27, 29 entlädt, wem der letzter eingeschaltet ist. Solange der Punkt A bei einem positiven Niveau gehalten wird, das ausreicht, um die Dioden 63 und 65 rückwärts zu riegeln, fährt der Kondensator 73 fort,· sich über die Rückkopplungsschaltung, wie beschr-ieben, zu entladen und dabei den Darlington Verstärker 27, 29 in einer gesättigten Betriebsweise zu halten. Bei bestimmten Schaltanwendungen muß es nicht erforderlich sein , daß der Darlington Verstärker 27, 29 in einer gesättigten Weise betrieben wird. Derartige Betriebsweise treten ein, wenn die Kombination der Spannung über den Kondensator 73 und der Wert des Widerstandes 71 derart sind, daß der durch den Widerstand 71 fließende Strom unzureichen ist, um die Darlington Schaltung 27, 29 in ein leitendes Stadium zu treiben, um im wesentlichen die Spannung plus V an die Klemme 41 zu legen. Man nimmt an, daß während des Entladens des Kondensators 73 die Entladezeitkonstante bestimmt wird durch das Produkt der Kapazität des Kondensators 73 mal der Impedanz des Widerstandes 71, Die Schaltfrequenz (die Frequenz, mit welcher das Steuersignal der Klemme 33 zugeführt wird) ist so, daß der Kondensator 73 stets hinreichend Zeit hat, sich auf ein Niveau wieder aufzuladen, das ausreicht, um den Darlington Verstärker 27, 29 in Sättigung zu halten, während der Perioden, in welchen das Steuersignal an der Klemme 33 Erdpotential besitzt oder ein negatives Niveau einnimmt. Es ist noch herauszustellen, daß während der Entladezeit des

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Kondensators 73 die Diode 67 als Sperrdiode dient, um zu verhindern, daß sich der Kondensator 73 in die Kollektorelektroden · der NPN-Transistoren 27, 29 des Darlington Verstärkers entlädt.

Die Fig. 6 stellt eine Modifizierung der Schaltungen gemäß den Fig. 4 und 5 dar und umfaßt neben anderen Elementen einen NPN-Schalttransistor 83, der eine zusätzliche Verstärkung zur Verbesserung der Einschaltzeit für den Darlington Verstärker 27, 29 bereitstellt. Wenn während des Betriebes ein Steuersignal mit einem positiven Spannungsniveau an die Steuerklemme 33 angelegt wird, spricht der NPN-Darlington Verstärker 37, 39 durch Einschalten an, um im wesentlichen die Ausgangsklemme 41 über den Hauptleitungsweg der Darlington Schaltung 37, 39 zu erden,und der invertierende Hochspannungsverstärker 59 spricht an durch Erzeugung eines Signals mit Erdpotential oder niedrigem Niveau am Punkt A, wie zuvor beschrieben. Zu dieser Zeit ist der NPN-Transistor 83 abgeschaltet und die Dioden 62, 63, 65 und 67 werden in vorwärtiger Richtung betrieben und ermöglichen ein Aufladen des Kondensators 73 aus der Spannungsquelle, die das Spannungsniveau +V an die Betriebsspannungsklemme 45 legt. Der Entladeweg des Kondensators 63 ist genauso wie bei der Schaltung gemäß Fig. 5 gezeigt. Wenn das Steuersignalabsinkt, schaltet sich der Darlington Verstärker 37, 39 aus und der invertierende Verstärker 59 spricht an, indem er das Niveau dessen Ausgangssignals in eine positive Spannung ändert. Wenn man den Punkt B positiv werden läßt (d. h. man hält ihn nicht länger bei einem negativen Potential), wird die Diode 62 rückwärts geregelt und der durch den Wider-

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stand 75 fließende Strom geht zur Basiselektrode des NPN-Transistors 83 und schaltet diesen ein. Zur Zeit des Einschaltens des Transistors 83 tritt der Beschleungigungskondensator 77 als Kurzschluß oder geschlossener Leiterweg in Erscheinung und bewirkt, daß die Widerstände 79 und 81 zum Zeitpunkt eines Einschal tens parallel geschaltet sind, während der Strom.von der Betriebsspannungsklemme 45 durch die Leiterwege einschließlich des Widerstandes 81 und des Widerstandes 79 in Reihe mit dem Kondensator 77, dem Hautpstromweg des NPN-Transistors 83 (Kollektor-Emitterstromweg) in die Basiselektrode des NPN-Transistors 27 fließt, und dabei den Darlington Verstärker 27, 29 einschaltet. Wenn der Darlington Verstärker 27, 29 in dieser Weise eingeschaltet wird, fließt der Strom von der Betriebsspannungsklemme 45 durch den Hau±- stromweg des Darlington Verstärkers 27 und 29 zur Ausgangsklemme 41 und hebt das Spannungsniveau an der Ausgangsklemme auf ein positives Niveau, so daß sich der Kondensator 73 zu entladen beginnt, ursprünglich durch die Schaltung des Widerstandes 81, parallel zur Reihenschaltung des Widerstandes 79 und des Kondensators 77, den Hauptstromweg des Transistors 83 in die Basiselektrode des NPN-Transistors 27. Nachdem der Beschleunigungskondensator 77 nördlich aufgeladen ist, tritt er als geöffnete Schaltung in Erscheinung und nimmt damit den Widerstand 79 und sich selbst aus der Parallelschaltung mit dem Widerstand 81 heraus. Wenn dieses eintritt, erhöht sich dementsprechend der effektive Widerstand der Parallelschaltung bis auf den Widerstandswert des Widerstandes 81,durch welchen

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nun der gesamte Strom hindunhläuft. Die aus dem Widerstand 79 und dem Kondensator 77 bestehende Beschleunigungsschaltung verbessert bekanntlich die Einschaltzeit für den Transistor 83 und dementsprechend auch die Einschaltzeit des Darlington Verstärkers 27, 29. Wie bei der Schaltung gemäß Fig. 5 wirkt der Kondensator 73 während er sich in den Darlington Verstärker 27, 29 entlädt, deart, daß das Spannungsniveau (die Spannung an der Klemme 41 plus die Spannung über den Kondensator 73),die der Basiselektrode des NPN-Transistors 27 zugeführt wird, angehoben wird, um sicherzustellen, daß der Darlington Verstärker 27, 29 in Sättigung geht, um im wesentlichen die Betreibsspannung +V an die Ausgangsklemme 41 zu legen, wie dies im Zusammenhang mit der Schaltung gemäß Fig. 5 beschrieben worden ist. Bei den Schaltungen gemäß den Fig. 5 und 6 fließt der Strom in vorwärtiger Richtung durch die Dioden 63 und 65 und hält den Darlington Verstärker 27, in abgeschaltetem Zustand jeweils dann, wenn das Spannungsniveau in Punkt A niedrig ist, wodurch verhindert wird, daß die Spannung über die Basis-Emitterelektroden des Darlington Verstärkers 27, 29 rückwärts geregelt wird. Mit anderen Worten, führt während der Entladezeit des Kondensators 73 der durch die Dioden 65 und 63 fließende Strom zu einer Rückwärtsregelung von 2V_BE zur Anlage an die B^.s-Emitterelektroden des. Darlington Verstärkers 27, 29, um den Darlington Verstärker in einem abgeschalteten Zustand zu halten. In ähnlicher Weise regelt die Diode 62 die Basis-Emitterverbindung des Transistors 83 zurück, um IV_n„ während der Ladezeit des Kondensators 73.

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Obwohl in der vorangehenden Beschreibung der drei Ausführungsformen der Erfindung die erfindungsgemäßen Schaltungen mit NPN leitenden Transistoren versehen sind, können auch entgegengesetzt leitende Transistoren (PNP ersetzt für NPN) verwendet werden, indem man die Pole oder Polarität der Dioden umkehrt und die Polarität der Betriebsspannung wechselt, wie dem Sachverständigen auf diesem Gebiet einleuchtet. Die äquivalente PNP-Schaltung kann sich bei Niedrigleistungsanwendungsbereichen als nützlich erweisen, während, wie oben aufgezeigt wurde, die NPN-Leitungsschaltungen für Hochleistungsschaltanwendungen erforderlich sind. Außerdem gestatten die in den.Fig. 4, 5 und 6 dargestellten Isolierwiderstände 38 und 61 eine Parallelschaltung einer Mehrzahl von Schaltverstärkern, um die Leistungsfähigkeit des Schaltsystems zu vervielfachen, entsprechend der Anzahl der parallel zueinander geschalteten Stufen. So können beispielsweise unter Bezugnahme auf Fig. 6 eine Anzahl voa •Ausgangsstufen mit Schaltungen, die den Schaltungen zwischen den Punkten B und der Ausgangsklemme 41 und dem Punkt C und der Ausgangsklemme 41 entsprechen, zwischen diesen Punkten parallel zueinander geschaltet werden, um die Leistungsfähigkeit zu steigern, wie dies bereits beschrieben worden ist.

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Claims

DR. KARL· TH. HBGBL · DIPL.-ING. KLAUS DICKBL PATENTANWÄLTE

HAMBURG 50 GROSSB BERGSTRASSE 223 8 MÜNCHEN 60 JULIUS-KREIS-STRASSE POSTFACH 300662 TELEFON (O 4O) 39 62 95 TELEFON (O89) 88 5210

Telegramm-Adresse: Doellnerpatent München

Thr Zeichen: Unser Zeichen: 8000 München, den

Ansprüche :
/lJ Schaltstromkreis gekennzeichnet durch

eine Singangsklemme (33) zur Aufnahme eines Steuersignals,

eine Ausgangsklemme (41) zur Bereitstellung eines Ausgangssignals,

eine Anschlußklemme (45) zur Aufnahme einer Betriebsspannung,

eine weitere Klemme (43) zur Aufnahme eines Bezugspotentials,

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Postscheckkonto: Hamburg 291220-205 · Bank: Dresdner Bank AG. Hamburg, Kto.-Nr. 3813

ORiQsNAL !MSPECTED

einen ersten transistorisierten Verstärker (27, 29) mit einem Kollektor, einem Emitter und einer Basiselektrode, wobei die Kollektorelektrode an die Anschlußklemme (45) angeschlossen ist, während die Emitterelektrode an die Ausgangsklemme (19) angeschlossen ist,

einen zweiten transistorisierten Verstärker (37, 39), dessen Kollektorelektrode an die Ausgangsklemme (41) angeschlossen ist, während die Emitterelektrode an die zweite Klemme (43) und die Basiselektrode an die Singangsklemme (33) angeschlossen ist und auf das Steuersignal anspricht, um im wesentlichen das Bezugspotential mit der Ausgangsklemme (41) zu verbinden,

einen invertierenden Verstärker (59), dessen Eingangsklemme an die Eingangsklemme (33) des Schaltstromkreises angeschlossen ist, während die Ausgangsklemme (41) ein erstes Spannungsniveau bei Miegen des Steuersignals und ein zweites Spannungsniveau bei Fehlen des Steuersignals bereitstellt,

eine Gleichspannungsquelle (55), deren einer Pol an die Ausgangsklemme (41) des Schaltstromkreises angeschlossen ist und die einen zweiten Pol aufweist,

sowie eine transistorisierte Schaltung (53) mit der gleichen Leitfähigkeit wie der erste Verstärker (27,29), deren

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Kollektorelektrode an den der Ausgangsklemme (41) gegenüberliegenden Pol der Gleichspannungsquelle (55), deren .--..-Emitterelektrode an die Basiselektrode des ersten Verstärkers (27, 29) und deren Basiselektrode an die Ausgangsklemme des invertierenden Verstärkers (59 ) angeschlossen ist, wobei die Gleichspannungsquelle (55) polarisiert ist zur Stromführung von der Emitterelektrode zur Baäselektrode des ersten Verstärkers (27) (29) über den Kollektor-Emitter-Stromweg der transistorisierten Schaltung (53) jeweils dann, wenn sie sich in eingeschaltetem Zustand befindet, entsprechend dem sich auf dem zwäten Spannungsniveau befind-, liehen Ausgangssignal des invertierenden Verstärkers (59), um den ersten transistorisierten Verstärker (27, 29) einzuschalten und damit im wesentlichen die Betriebsspannung der Ausgangssklemme (41) des Schaltstromkreises zuzuführen.
2. Schaltstromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transistorisierte Schaltung außerdem umfaßt:

einen ersten Widerstand (81), der zwischen die Kollektorelektrode des Transistors (83) und eine Polklemme der Spannungsquelle geschaltet ist,

einen Kondensator (77) sowie

einen zweiten Widerstand (79), der in Reihe mit dem Konden-

el
sator (77) und parallczu dem ersten Widerstand (81) geschaltet

ist, wobei die Reihenschaltung eine "Beschleunigungs"-Schaltung darstellt und einen Ausgleichsstrom erzeugt, der die Einschaltzeit der transistorisierten Schaltung herabsetzt.
3. Schaltstromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromspannungsquelle die folgenden Elanente umfaßt, nämlich:

eine Diode (67) mit einer Kathodenelektrode sowie einer Anodenelektrode, die an die Anschlußklemme (45) angeschlossen ist,

eine Ladungsspeicherung (77), die zwischen die Kathodenelektrode und die Ausgangsklemme (41) geschaltet ist, sowie

einen Widerstand (71) zwischen der Basiselektrode und der transistorisierten Schaltung (27, 29) und der gemeinsamen Verbindung der Ladungsspeicherung (77) und der Kathodenelektrode.
4. Schaltstromkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsspeicherung (77) einen Kondensator umfaßt.
5. Schalt«tromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der invertierende Verstärker (59) aus einem invertierenden Hochspannungsverstarker besteht, daß die transistorisierte Schaltung aus einem Hochspannungs-NPN-Schalttransistor besteht und daß der erste und zweite Verstärker jeweils Hoch-

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leistungs-NPN-Darlingston Verstärkerschaltungen sind.
6. Schaltstromkreis nach einem der vorangehenden Ansprüche, der als Hochspannungsverstärkerschaltung ausgelegt ist, wobei lediglich NPN-Schalttransistoren eingesetzt werden, gekennzeichnet durch

eine erste Anschlußklemme (43) zur Aufnahme einer Bezugsspannun'g,

eine zweite Anschlußklemme (45) zur Aufnahme einer Betriebs spannung,

eine dritte Anschlußklemme (33) zur Aufnahme eines Schaltsignals,

eine vierte Anschlußklemme (41) zur Bereitstellung des Ausgangssignals,

einen ersten NPN-Transistorverstärker (27, 29) mit einer Basiselektrode, einer Kollektorelektrode, die mit der zweiten Anschlußklemme (45) in Verbindung steht, sowie einer Emitterelektrode, die an die vierte Anschlußklemme (41) angeschlossen ist,

einen zweiten Transistorverstärker (37, 39) mit einer Basiselektrode, die mit der dritten Anschlußklemme (33)

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-ζ

in Verbindung steht, einer Kollektorelektrode, die mit der vierten Anschlußklemme (41) in Verbindung steht, sowie . einer Emitterelektrode, die an die erste Anschlußklemme (43) angeschlossen ist und auf ein Schaltsignal mit hohem Niveau anspricht, um ein Ausgangssignal an die vierte Anschlußklemme (41) zu legen, dessen Wert im wesentlichen der Bezugsspannung gleich ist,

einen invertierenden Verstärker (59), dessen Eingangsklemme mit der dritten Anschlußklemme (33) in Verbindung steht und dessen Ausgangsklemme bei Vorliegen eines Schaltsignals mit hohem Niveau ein Signal mit niedrigem Niveau abgibt und bei Vorliegen eines Schaltsignals mit niedrigem Niveau ein Ausgangssignal mit hohem Niveau bereitstellt,

eine NPN-Transistorschaltung (83), deren Basiselektrode an die Ausgangsklemme des invertierenden Verstärkers (59_)_ angeschlossen ist, deren Emitterelektrode mit der Basiselektrode des ersten NPN-Transistorverstärkers (27, 29) angeschlossen ist und dessen Hauptströmungsweg zwischen der Emitter- und Kollektorelektrode verläuft und

eine Gleichspannungsquelle, deren positive Anschlußklemme über einen Widerstand (81) mit der Kollektorelektrode des NPN-SchalttransBtors (83) in Verbindung steht und deren negative Klemme an die vierte Anschlußklemme (41) angeschlossen ist,

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wobei die NPN-Transistorschaltung (83) durch ein Signal hohen Niveaus von dem invertierenden Verstärker (59) eingeschaltet wird, um einen Stromführungsweg zwischen der Gleichstromspannungsquelle und der Basis des ersten NPN-Transistor-Verstärkers (27, 29) herzustellen, der hierdurch eingeschaltet wird, wodurch die Gleichstromspannungsquelle Strom von der vie±en Anschlußklemme (41) über den Kollekter-Emitterstromleitungsweg der NPN-Transistorschaltung zur Basis des ersten Verstärkers.zurückführt und das Spannungsniveau, das zu dieser Zeit an der Basis anliegt, die Summe der Ausgangsspannung an der vierten Klemme (41) und der Spannung der Gleichstromspannungsquelle ist.
7. Schaltstromkreis nach Anspruch 6, dadurch Gekennzeichnet, daß außerdem zur Verringerung der Einschaltzeit der NPN-Schalttransistoranordnung die folgenden Merkmale vorgesehen sind, nämlich:

einen ersten Widerstand (81), der zwischen der Kollektorelektrode des NPN-Schalttransistors (83) und der positiven Klemme der Gleichstromspannungsquelle angeschlossen ist,

einen Kondensator (77)sowie

einen zweiten Widerstand (79), der mit dem Kondensator (77) in Reihe geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung parallel zum ersten Widerstand (81) geschaltet ist.

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-vr-
8. Schaltstromkreis nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromspannungsquelle aus einer Batterie besteht.
9. Schaltstromkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (75) zwischen der Basiselektrode des NPN-Schalttransistors (83) und der positiven Klemme der Gleichstromspannungsquelle angeschlossen ist, wobei die letztere die folgenden Merkmale umfaßt:

eine Ladungsspeichereinheit (73) zwischen der positiven und der negativen Klemme der Gleichstromspannungsquelle,

einen zweiten Widerstand (69),

eine erste Diode (67), die in Reihe mit dem zweiten Widerstand (69) und der zweiten Anschlußklemme (45) sowie der positiven Anschlußklemme liegt,

eine zweite Diode (63, 65), die zwischen der negativen Anschluklemme und der Emitterelektrode des NPN-Schalttransistors (83) liegt und

eine dritte Diode (62), die zwischen derEmitterelektrode des NPN-Schalttransistors (83) und derAusgangsklemme des invertierenden Veräärkers (59) liegt,

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wobei die erste, zwäte und dritte Diode so gepolt sind, daß sie den Strom von der zweiten Anschlußklemme durch die Reihenschaltung des zweiten Widerstandes, der Ladungsspeichereinheit und die erste bis dritte Diode der Ausgangsklemme des invertierenden Verstärkers zuführen, jeweils dann, wenn das Ausgangssignal an der Ausgangsklemme des invertierenden Verstärkers niedrig ist, während die zweite und dritte Diode, wenn sie den Strom in dieser Weise leiten, vorwärts geregelt werden und eine rückgeregelte Spannung über die Basis- und Emitterelektrode des ersten Transistorverstärkers bzw. den NPN-Schalttransistor erzeugen, wobei außerdem zur gleichen Zeit ein wesentlicher Teil zur Ladung der Ladungsspeicherung von der zweiten Anschlußklemme der ersten Anschlußklemme über den Stromleitungsweg bestehend aus der ersten Diode, dem zweiten Widerstand, dem Kondensator und dem Hauptstromleitungsweg zwischen der Kollektor- und Emitterelektrode des ersten NPN-Verstärkers zugeführt wird und, wenn das Ausgangssignal des invertierenden Verstärkers hoch ist, die erste, zweite und dritte Diode zurückgeregelt werden, unter Einschaltung des NPN-Schalttransistors zur Entladung der Ladungsspeicherung über dessen Hauptstromführungsweg in die Basiselektrode des ersten Verstärkers, wobei die erste Diode zu dieser Zeit den Entladungsstrom von der Ladungsspeicherung in die Kollektorelektrode des ersten NPN-Transistorverstärkers sperrt.
10. Schaltstromkreis nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsspeichere&hheit (73) ein Kondensator ist.

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