DE1058553B - Bistabiler Transistor-Steuerkreis - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf doppelstabile oder bistabile Transistor-Steuerkreise.

In der britischen Patentschrift 762 868 ist ein doppelstabiler Transistor-Steuerkreis beschrieben, der einen einzigen Transistor der Spitzentransistorengattung aufweist, dessen Geber bzw. Geberelektrode geerdet, dessen Basis bzw. Basiselektrode über einen Widerstand mit einem positiven Potential verbunden und dessen Geber über eine Belastung an ein negatives Potential angeschlossen ist. Der Transistor kann zwischen leitendem und im wesentlichen nichtleitendem stabilem Zustand hin- und hergeschaltet werden, und zwar durch Übermittlung geeigneter Impulse nach, seiner Basis oder seinem Geber.

Ein ähnlicher Steuerkreis, bei welchem der einzige Spitzentransistor durch zwei Komplementär-Flächentransistoren ersetzt ist, ist in Fig. 3 c eines Aufsatzes in der Zeitschrift »Proceedings of the Institute of Electrical Engineers«, Folge 103 (1956), Teil B, Beilage 3, S. 361 bis 363, veranschaulicht. Eine Schwierigkeit, auf die im nachfolgenden noch näher eingegangen wird, besteht bei letzterem Steuerkreis darin, daß in den Basiselektroden beider Transistoren eine starke Trägerspeicherung auftritt und das schnelle Abschalten bzw. Ableiten der Transistoren verhindert. Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Komplementär-Steuerkreises, bei welchem dieser Schwierigkeit der Trägerspeicherung begegnet wird.

Erfindungsgemäß ist ein bistabiler Transistor-Steuerkreis, welcher aus einem p-n-p- und einem n-p-n-Transistor, aus Verbindungen (Basis-Kollektor-Verbindungen) von der Basiselektrode eines jeden Transistors nach der Kollektorelektrode des anderen Transistors, -aus einer Verbindung (Emitter-Spannungsquelle-Verbindung) von der einen Emitterelektrode nach dem einen Pol einer Spannungsquelle, aus einer Verbindung (Stromverbraucherverbindung), welche eine Belastung bzw. einen Stromverbraucher von der anderen Emitterelektrode nach dem anderen Pol der vorerwähnten Potentialzufuhr enthält, und aus einem Widerstand besteht, welcher zwischen die Basiselektrode eines Transistors und eine Vorspannungsquelle geschaltet ist, wobei der Steuerkreis durch geeignete Impulse, welche den Basis- oder Emitterelektroden übermittelt werden, aus dem einen stabilen Schaltzustand in einen anderen Stabilzustand zu triggern bzw. schnellzuschalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand in der Basis-Kollektor-Verbindung vorgesehen ist, daß eine Diode zwischen den Kollektorelektroden mit einer solchen Stromdurchlaßrichtung geschaltet ist, daß Strom den Kollektoren zugeführt wird, und daß ein Widerstand zwischen der Basiselektrode des anderen Transistors und einer Vorspannungsquelle vorgesehen ist und daß

Bistabiler Transistor-Steuerkreis

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority, London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen (Westf.), Oranienstr. 14

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien, vom 28. September 1956

Edmund Harry Cooke-Yarborough, London,
ist als Erfinder genannt worden

die gekennzeichneten Schaltelemente derart bemessen sind, daß die Potentiale, welche an den Widerständen, die zwischen Kollektor- und den Basiselektroden liegen, durch Ströme von der erwähnten Vorspannungsquelle her erzeugt werden, dazu dienen, in Verbindung mit der vorerwähnten Diode Kleinstwert-Kollektor - nach - Basis - Potentiale festzulegen, , unterhalb welche die Kollektorelektrodenspannungen nicht abfallen können und bei welchen eine starke Trägerspeicherung vermieden wird.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert werden, und zwar zeigt

Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm eines doppelstabilen Spitzentränsistor-Steuerkreises, .

Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm eines doppelstabilen Steuerkreises, welcher Flächentransistoren ver^-

wendet, während . ,

Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm eines erfindungsgemäßen doppelstabilen Transistorsteuerkreises wie: dergibt.

Fig. 1 zeigt einen doppelstabilen Spitzentransistor-Steuerkreis der in der britischen Patentschrift 762 868 beschriebenen Gattung. Ein Spitzentransistor T1 hat einen geerdeten Geber bzw. eine an Erde liegende Geberelektrode, während sein Sammler über eine Belastung L an ein negatives Potential angeschlossen ist. Seine Basis ist über .einen Widerstand R3 an ein positives Vorspannungspotential angeschlossen. Eine Begrenzerdiode D1 verhindert, -daß das Basispotential über 1,5 V ansteigt. Der Transistor T1 kann zwischen einem stabilen leitenden Zu-

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stand und einem stabilen;!,im wesentlichen nichtleitenden Zustand (d. h. bei welchem der Beiastungsstrom der zurückbleibende Sammlerstrom I_c0 ist) hin- und hergeschaltet werden, und zwar durch Anlegen geeigrieteg Impulse, beispielsweise, an. seine Basis, vorausgesetzt,'daß der über /?3'-geieitete Strom stärker als Ic₀ -ist. ·......·■

Im Prinzip kann, wie in Fig. 2 und in der Zeitschrift »Proc.-I.E.E« .gezeigt,t.der Spitzentransistor Tl durch einen komplementäres Paar Flächentransistoren T2 und Γ3 ersetzt wurden, die jeweils von der p-n-p- und n-p-n-Gattung sind. In diesem Steuerkreis ist de/; Sammler eines jeden mit der Basis des anderen verbunden, der Geben von T2 ist geerdet, und der Geber von T3 ist über die Belastung L an ein negatives Potential geschlossen. In der Praxis erweist sich diese Anordnung jedoch nicht als zufriedenstellend, und .zwar infolge der sehr hohen Trägerspeicherung, welche sich in beiden Transistoren findet und zur Folge hat, daß der Steuerkreis viele Mikrosekunden zum Abschalten braucht. .Für . diese starke Trägerspeicherung kann als Grund folgende Erklärung gegeben-'werden :■ Gesetzt der Fall, der Steuerkreis befindet sich in seinem leitenden Zustand, und der Strom in der Belastung L ist genügend groß, daß der im Basi$.widerstand R3 fließende Strom außer acht gelassen werden kann, dann fließt der Belastungsstrom von Punkt α nach Punkt d, und zwar aufgeteilt auf die Wege a-b-d und a-c-d.. Wenti zur. Vereinfachung angenommen wird, daß die, beiden. Transistoren gleiche Charakteristiken oder Eigenschaften aufweisen, so wird der Strom sich ungefähr gleichmäßig zwischen 'diesen Wegen aufteilen, und jeder Transistor wird gleiche-Basis- und Sammelstföme hindurchlassen, was bedeutet, daß der Sammlerström nur die Hälfte des Geberstromes beträgt. Auf diese Weise werden nur etwa die Hälfte der Minoritätenträger, welche durch den Geber injiziert werden? gesammelt, und der Rest häuft sich im.Basisbereich an und bewirkt eine fortgesetzte Leitung durch; den'. Sammler, nachdem der Geberstrom ausgesetzt hat.,, " , .'.Wenn diese Trägerspeicherung verhindert werden splL.'muß .der Sammler des p-n-p-Transistors T 2 leicht riegätiv mit Bezug auf. seine Basis gehalten werden, und der Sammler des n-p-n-Transistors T 3 muß leicht.:positiv relativ zu seiner Basis gehalten werden. Dies ist bislang durch Begrenzungen der Spannungsänderungen an beiden Sammlern unter Verwendung von Dioden, die an entsprechende Spannungspunkte angeschlossen sind, geschehen. Um zu verhindern, daß überschüssige oder zu große Ströme in den Transistoren fließen, ist es notwendig,' den Geberstromfluß durch Verwendung einer Widerstands- und Diodenkombination einzugrenzen. Als Folge davon ist der Strom, welcher nach der Belastung geliefert werden kann, begrenzt bzw. herabgesetzt. Der Steuerkreis ist kompliziert und erfordert mehrere verschiedene Spannüngszufuhren für die Dioden, und alle müssen eine niedrige Impedanz haben.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, welche diese Nachteile vermeidet. In Fig. 3 "ist der Steuerkreis der Fig.,'2 durch Hinzunahme bzw. Zufügen einer Diode D2, -die zwischen die Sammler geschaltet ist, und die Einfügung der Widerstände R1 und R2,.'m den beiden Verbindungen zwischen Basis und Sammler abgeändert worden. Ein Widerstand /?4 ist zwischen Basis von T3 und negatives Potential geschaltet. ■ ..''..- 7'..

Wenn zur Vereinfachung des Beispiels angenommen wird, daß bei leitendem.Zustand des Steuerkreises die ; Ströme/1 und 12, die in Rl und R2 jeweils fließen, gleich sind, dann kann der Belastungstrom· noch als von Punkt α nach Punkt / fließend betrachtet werden. Die Diode.D2, die die beiden Sammler verbindet, schafft oder liefert nun einen dritten Weg, über den der Belastungsstrom fließen kann. Wenn die Spannungsabfälle bzw. -abnahmen in den Widerständen Rl und R2 beide größer sind als der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung in dieser Diode, so werden ίο die Spannungen zwischen Sammler und Basis beider Transistoren daran gehindert, auf Null abzufallen, und die Anhäufung von Minoritätsträgern in der Basis wird auf diese. Weise verhindert. Unter diesen Bedingungen beträgt der Sammlerstrom beider Transistören das α-fache des Geberstromes, wobei α der Stromgewinn bzw. die Stromverstärkung zwischen Geber und Sammler ist und gerade knapp unter Eins liegt. Wenn α als gleich für beide Transistoren angenommen wird, dann durchfließt ein Bruchteil α des Belastungsstromes I_L den Weg a-d-c-f, und ein Bruchteil (l—a) nimmt den Weg a-b-c-d-e-f, indem er die Sammlerdiode D 2 in entgegengesetzter Richtung durchfließt. Ein Strom / (gleich I₁ gleich I₂) fließt ebenfalls in umgekehrter Richtung/?2. Der Nettostrom in D2 ist deshalb'//, (2a—1) — /. Das verur-. sacht einen Spannungsabfall in der Durchlaßrichtung in der Diode, der gleich ν ist. Der Spannungsabfall in Rl beträgt R₁ (L₁ + (1 — α) I_L). Dieser muß größer als ν sein, ebenso wie der Spannungsabfall in R2, der sich in ähnlicher Weise ergibt. Nach Möglichkeit soll dieser Spannungsabfall nicht zu stark mit dem Belastungsstrom variieren, deshalb werden Z₁ und I₂ von derselben Ordnung wie der Transistorbasisstrom bei maximalem Belastungsstrom gewählt. ■ Der Gesamtspannungsabfall in diesem doppelstabilen Steuerkreis, wenn im leitenden Zustand, ist gleich den Geber-Basis-Spannungsabfällen beider Transistorenplus den Spannungsabfällen in den Widerständen Rl und R2 minus dem Spannungsabfall ν in D2. Je größer der Spannungsabfall in der Diode ist, desto kleiner ist also der Spannungsabfall im doppelstabilen Steuerkreis. In ähnlicher Weise ist, wenn der Belastungsstrom erhöht wird, der gesteigerte Spannungsabfall über die Diode bestrebt, denjenigen im restliehen Teil des Steuerkreises auszugleichen, und die Ausgangsimpedanz des Steuerkreises ist deshalb, wenn er sich in seinem leitenden Zustand befindet, niedrig.

Wenn der Belastungsstrom auf einen Wert vermindert wird, der nur wenig größer als / ist, dann fällt der Strom in der Diode auf einen niedrigen Wert, die Diodenimpedanz nimmt zu, und die Nettoausgangsimpedanz wird groß und negativ und bewirkt die spontane Ausschaltung des Steuerkreises wie im Falle des äquivalenten doppelstabilen Spitzenkontakt-Steuerkreises. Alternativ kann der Steuerkreis durch Übermittlung eines geeigneten Impulses ausgeschaltet werden, beispielsweise eines positiven Impulses, der über eine Diode nach der Basis des p-n-p-Transistors T2 geleitet wird. Wenn der Steuerkreis im nichtleitenden Zustand ist, ist der Geberstrom von T2 abgeschnitten oder abgetrennt, und nur ein kleiner Strom I_co fließt zwischen Basis und Sammler. Der Geberstrom des n-p-n-Transistors T3 ist ebenfalls nur wenig größer als I_c0. Folglich ist, solange der nach der Basis des p-n-p-Transistors T2 geleitete Strom I₁ die Summe beider /_e0-Ströme übersteigt, der Strom im nichtleitenden Zustand stabil. Dieser Strom kann kleiner sein als das Äquivalent im Spitzenkontakt-Steuerkreis, und der doppelstabile Steuerkreis der Fig. 3 kann des-

halb vereinfacht werden, indem man den Widerstand R3 und die Begrenzerdiode Dl, die an die Basis von T 2 umgeschaltet ist, durch einen Widerstand ersetzt, welcher mit einem leicht positiven Punkt verbunden ist.

Der Steuerkreis hat den Vorteil gegenüber dem Spitzenkontakt-Steuerkreis der Fig. 1, daß der Reststrom, der durch die Belastung hindurchgeht, wenn ■der Steuerkreis sich im nominell nichtleitenden Zustand befindet, beträchtlich kleiner ist. Er ist außerdem anpassungsfähiger, weil er durch geeignete, nach dem Geber oder der Basis eines der beiden Transistoren übermittelte Impulse an- oder abgeschaltet werden kann. Darüber hinaus kann der Steuerkreis umgekehrt werden, wobei die Funktionen der beiden Transistoren ausgetauscht werden und die Belastung in Reihe mit dem Geber des p-n-p-Transistors liegt.

Praktisch brauchen die beiden Transistoren nicht derartig gleiche Charakteristiken zu haben, wie sie dieser Beschreibung zugrunde gelegt sind.

Durch geeignete Wahl von Steuerkreis-Parametern kann die Ausgangsimpedanz im leitenden Zustand auf Null gebracht oder negativ gemacht werden.

Der Steuerkreis der Fig. 3 kann auch im leitenden Zustand allein verwendet werden, d. h. nicht als ein ■doppelstabiler Steuerkreis, sondern einfach als ein Steuerkreis, der in der Lage ist, eine negative Ausgangsimpedanz zu liefern; in diesem Falle wird die Diode D 2 durch einen Widerstand ersetzt.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Bistabiler Transistor-Steuerkreis, bestehend aus einem p-n-p- und einem n-p-n-Transistor, aus Verbindungen (Basis-Kollektor-Verbindungen) von der Basiselektrode eines jeden Transistors nach der Kollektorelektrode des anderen Transistors, aus einer Verbindung (Emitter-Spannungsquelle-Verbindung) von der einen Emitterelektrode nach dem einen Pol einer Spannungsquelle, aus-einer Verbindung (Stromverbraucherverbindung) ,welche eine Belastung bzw. einen Stromverbraucher von der anderen Emitterelektrode nach dem anderen Pol der erwähnten Potentialzufuhr enthält, und aus einem Widerstand, welcher zwischen der Basiselektrode eines Transistors und einer Vorspannungsquelle angeschlossen ist, wobei der Steuerkreis durch geeignete Impulse, welche an die Basis- oder Emitterelektroden angelegt werden, aus dem einen stabilen Schaltzustand in einen anderen Stabilzustand schnell umzuschalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand in der Basis-Kollektor-Verbindung vorgesehen ist, daß eine Diode zwischen den Kollektorelektroden mit einer solchen Stromdurchlaßrichtung geschaltet ist, daß Strom den Kollektoren zugeführt wird, und daß ein Widerstand zwischen der Basiselektrode des anderen Transistors und einer Vorspannungsquelle vorgesehen ist und daß die gekennzeichneten Schaltelemente derart bemessen sind, die Potentiale, welche an den Widerständen, die zwischen den Kollektor- und den Basiselektroden liegen, durch Ströme von der Vorspannungsquelle her erzeugt werden, dazu dienen, in Verbindung mit der erwähnten Diode die Kleinstwert-Kollektor-nach-Basis-Potentiale festzulegen, unterhalb welche die Kollektorelektrodenspannungen nicht abfallen können und bei welchen eine starke Trägerspeicherung vermieden wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 919 125;
   deutsche Auslegeschrift Nr. 1 029 871.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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