DE1093821B - Astabiler Multivibrator mit Kipptransistoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen astabilen Multivibrator.

Es ist bereits eine Reihe von astabilen Multivibratorschaltungen bekanntgeworden. Die bekannten Schaltungen verwenden als elektronische Schalter hauptsächlich Röhren oder Transistoren. Bei der Verwendung von Transistoren ergeben sich gegenüber Röhren die aus der Transistortechnik bekannten Vorteile, insbesondere niedrige Betriebsspannung und Wegfall der Heizleistung. Ein Nachteil der Transistoren gegenüber den Röhren ist die bei Transistoren relativ niedrige maximale schaltbare Leistung. In vielen Fällen ist aber gerade eine wesentlich höhere Impulsleistuiig erwünscht. Dies kann mit Transistorschaltungen nicht erreicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen astabilen Multivibrator anzugeben, der sowohl die Vorteile der Transistoren, also niedrige Betriebsspannung und Wegfall der Heizleistung, als auch die Vorteile der Röhren, insbesondere also hohe schaltbare Leistung, aufweist. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß als elektronische Schalter an Stelle von Transistoren oder Röhren Kipptransistoren vorgesehen sind.

Der Kipptransistor ist ein vor kurzer Zeit bekanntgewordenes neues Halbleiterbauelement. Fig. 1 zeigt einen derartigen Kipptransistor in schematischer Darstellung. An drei der vier Halbleiterzonen sind Elektroden angebracht. Für diese Elektroden haben sich in Analogie zum Transistor die Bezeichnungen Kollektor, Basis und Emitter eingebürgert. Das übliche Schaltsymbol eines Kipptransistors ist in Fig. 2 dargestellt. Schaltungsmäßig verhält sich ein Kipptransistor ähnlich wie ein Thyratron, d. h., er kann durch Zuführung einer geeigneten Spannung an eine Steuerelektrode (Basis) von einem stabilen Zustand großen Widerstandes (Sperrzustand) in einen stabilen Zustand kleinen Widerstandes (Leitzustand) geschaltet werden. Der Übergang von dem einen in den anderen Zustand erfolgt in einer Zeit von etwa 1 Mikrosekunde. Im Leitzustand ist die an dem Kipptransistor liegende Spannung bis zu einem maxial zulässigen Dauerstrom annähernd konstant und liegt in der Größenordnung von etwa 1 bis 2 Volt. Der umgekehrte Übergang vom Leitin den Sperrzustand erfolgt bei Unterschreiten eines bestimmten Haltestroms. Dieser Übergang ist durch eine an der Basis anliegende Steuerspannung nicht beeinflußbar. Einem Kipptransistor können sehr hohe Impulsleistungen von 0,5 kW und mehr entnommen werden.

Durch die Verwendung von Kipptransistoren ergeben sich also sowohl die Vorteile von Röhren als auch von Transistoren, ohne daß deren Nachteile in Kauf genommen werden müssen.

Bei dem astabilen Multivibrator gemäß der Erfin-Astabiler Multivibrator
mit Kipptransistoren

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2

Dipl.-Ing. Hans-Norbert Toussaint, München,
ist als Erfinder genannt worden

dung sind zwei Kipptransistoren vorgesehen, deren Kollektoren über einen Kondensator miteinander und über je einen Kollektorwiderstand mit positivem Potential verbunden sind und in deren Basiskreis je ein zeitbestimmender Kondensator liegt, der über einen jeweils parallel zur Basis und Kollektor liegenden Ladewiderstand aufgeladen wird. Vorteilhaft haben beide Kipptransistoren einen gemeinsamen Emitterwiderstand, dem gegebenenfalls ein Kondensator parallel geschaltet ist. Parallel zu der Serienschaltung aus diesem Emitterwiderstand und der Basis-Emitter-Strecke jedes Kipptransistors ist dann ein Widerstand geschaltet, dem auch der entsprechende zeitbestimmende Kondensator parallel geschaltet ist.

Bei einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel liegt im Basiskreis der Kipptransistoren je eine Zenerdiode, die einen Öffnungsstrom über die Basis-Emitter-Strecke des Kipptransistors infolge des Spannungsanstiegs an den zeitbestimmenden Kondensatoren erst nach Überschreiten der Zenerspannung ermöglicht.

Parallel zu den Ladewiderständen ist vorteilhaft je eine Diode vorgesehen, die für eine schnelle Entladung des im Basiskreis des jeweils leitenden Kipptransistors liegenden Kondensators sorgt.

In vielen Fällen ist es erforderlich oder vorteilhaft, den Kippvorgang zu synchronisieren. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist deshalb in die Basiszuleitung eines der Kipptransistoren die Sekundärwicklung eines Übertragers geschaltet, dessen Primärwicklung eine zur Synchronisation der Kippfrequenz dienende Steuerspannung zugeführt wird. Dabei ist in die die Sekundärwicklung des Übertragers enthaltende Basiszuleitung eine Diode derart geschaltet, daß die Basis dieses Kipptransistors nicht negativ gegen den Emitter werden kann.

009 650/306

Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert.

Fig. 3 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Die Wirkungsweise ist folgende:

Zunächst befindet sich der Kipptransistor KT1 im Leitzustand und der Kipptransistor KT2 im Sperrzustand. Es fließt also ein Strom vom Pluspol einer nicht dargestellten Spannungsquelle über den Widerstand Rl, die Kollektor-Emitter-Strecke des Kipptransistors KTl und den Widerstand R 7 zur Erde. Die Span- ίο nungsteilerwiderstände R3 und R5 sind so gewählt, daß die Basis des Kipptransistors KTl im Leitzustand schwach negativ gegenüber dem Emitter vorgespannt ist. Es sei zunächst angenommen, daß sich auch die Basis des Kipptransistors KT2 noch auf dem gleichen Potential wie die Basis des Kipptransistors KTl befindet. Über den Widerstand R2 wird der Koppelkondensator Cl und über den Widerstand/?4 der Kondensator C3 aufgeladen. Die Spannung am Kondensator C3 wächst exponentiell an. Sobald die Basis des Kipptransistors KT2 positiv gegenüber dem Emitter wird, fließt ein Basisstrom. Dieser wird mit zunehmender Spannung am Kondensator C3 schließlich so groß, daß der Kipptransistor KT2 einschaltet. Die am Kipptransistor KT2 liegende Spannung bricht nun zusammen. Über den Koppelkondensator Cl gelangt ein Stromstoß, hervorgerufen durch die Entladung dieses Koppelkondensators, auf den Kollektor des Kipptransistors KTl. Die Kollektorspannung des Kippstransistors KTl fällt darauf kurzzeitig ab, so daß der Haltestrom unterschritten wird und der Kipptransistor KTl ausschaltet. Nach dem Stromstoß über den Koppelkondensator Cl steigt die Kollektorspannung am Kipptransistor KTl wieder an. Sie wächst jedoch nicht sehr schnell, da der Koppelkondensator C1 über den Widerstand R1 sowie der Kondensator C 2 über den Widerstand R3 aufgeladen werden müssen. Wenn schließlich der Kondensator C2 genügend weit aufgeladen ist, schaltet der Kipptransistor KTl wieder in den Leitzustand. Bis zu diesem Zeitpunkt bleibt der Kipptransistor KT2 jedoch noch eingeschaltet. Der Kondensator C3 wird dabei auf eine Spannung entladen, die durch die Kollektorspannung des Kipptransistors KT2, die Spannung am Widerstand i?7 sowie durch den Spannungsteiler aus den Widerständen RA und i?6 gegeben ist.

Bei tieferen Frequenzen ist die Kippfrequenz des astabilen Multivibrators unabhängig von der Größe des Koppelkondensators Cl. Bei höheren Frequenzen macht sich jedoch der Einfluß des Koppelkondensators Cl bemerkbar. Seine Größe wird praktisch nur durch die Größe der Lastwiderstände bestimmt. Je kleiner der Wert der Lastwiderstände ist, um so größer muß bei gegebener Trägheit der Kipptransistoren die Kapazität des Koppelkondensators sein. Je kleiner die Kapazität des Koppelkondensators ist, um so steiler werden die Ausschaltflanken an den Belastungswiderständen 7?1 und R2. Zweckmäßig wird daher der Koppelkondensator gerade so groß gewählt, daß der Multivibrator noch sicher kippt. Die aus den Widerständen Rl, R3 und R5 bzw. R2, RA und R6 gebildeten Spannungsteiler müssen so dimensioniert sein, daß die zum Einschalten eines Kipptransistors erforderliche Basisspannung aufgebracht wird. Bei kleineren Werten der Lastwiderstände wird die Bemessung der Spannungsteiler unabhängig von den Werten der Lastwiderstände.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung kann durch eine Steuerspannung synchronisiert werden, die über einen Übertrager der Basis eines der Kipptransistoren zügeführt wird. In Fig. 4 ist eine derartige Schaltung dargestellt. Die Diode öl verhindert dabei, daß die Basis des Kipptransistors negativ gegen dessen Emitter vorgespannt werden kann. Wie expermentiell gefunden wurde, kann bei einer negativen Vorspannung der Basis gegen den Emitter von einigen Volt ein Durchbruch der Kollektor-Basis-Strecke des Kipptransistors erfolgen, was vermieden werden muß. Im übrigen ist die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 4 die gleiche wie die der Schaltung nach Fig. 3.

Die in Fig. 3 bzw. 4 gezeigten Schaltungen können noch in gewisser Richtung verbessert werden. So ist beispielsweise in Reihe mit beiden Kipptransistoren ein Widerstand R 7 angeordnet, der abwechselnd von den Emitterströmen der beiden Transistoren durchflossen wird. Durch den Spannungsabfall an diesem Widerstand wird erreicht, daß sich beim jeweils eingeschalteten Kipptransistor der Kondensator im Basiskreis auf eine Spannung entladen kann, die unterhalb der entsprechenden Emitterspannung liegt. Bei einem zu kleinen Spannungsabfall an diesem Widerstand R7 machen sich Streuungen in den Basis-Emitter-Kenn linien der beiden Kipptransistoren stark bemerkbar. Ein zu großer Spannungsabfall am Widerstand R7 ist hingegen auch ungünstig, da dann die Kondensatoren C2 bzw. C3 auf eine zu hohe Spannung aufgeladen werden müssen. Um den Einfluß der genannten Streuungen möglichst klein zu machen, ist es zweckmäßig, an dem Widerstand R7 etwa die Hälfte der Speisespannung abfallen zu lassen. Andererseits ist jeglicher Spannungsabfall am Widerstand i?7 unerwünscht, da hierdurch die Amplitude der Spannungen an den Lastwiderständen herabgesetzt wird. Ein weiterer Nachteil ist, daß sich die Kondensatoren C2 bzw. C 3 nur unvollkommen entladen, wenn der betreffende Kipptransistor eingeschaltet ist. Diese Kondensatoren erreichen daher auch beim erneuten Aufladen in einer kürzeren Zeit die zum Einschalten der Kipptransistoren erforderliche Spannung. Um niedrige Kippfrequenzen erzeugen zu können, muß man daher die Kondensatoren sehr groß machen.

Die aufgezeigten Nachteile lassen sich bei der in Fig. 5 dargestellten Schaltung vermeiden. In Reihe mit den Basiselektroden der Kipptransistoren ist jeweils eine Zenerdiode ÖZ1 bzw. ÖZ2 eingeschaltet. Die Spannung an den Kondensatoren C2 bzw. C 3 muß daher erst die Zenerspannung überschreiten, ehe ein Basisstrom fließen kann. Bei dieser Schaltungsausführung brauchen auch den Kondensatoren C 2 und C 3 keine Widerstände parallel geschaltet zu werden. Den Ladewiderständen R3 und RA ist je eine Diode Ό2 bzw. Ö3 parallel geschaltet. Dadurch wird erreicht, daß der Kondensator im Basiskreis des jeweils eingeschalteten Kipptransistors schnell entladen wird.

Auch die in Fig. 5 gezeigte Schaltung kann durch eine Steuerspannung synchronisiert werden. Diese Synchronisation wird wie bei der Schaltung nach Fig. 4 erreicht.

Claims (7)

Patentansprüche·.

1. Astabiler Multivibrator mit mindestens zwei steuerbaren elektronischen Schaltern, die durch ihren Steuereingängen zugeführte Signale von einem Zustand hohen Widerstands in einen Zustand geringen Widerstands oder umgekehrt übergeführt werden können und die in solcher Abhängigkeit betrieben werden, daß sich stets nur ein Schalter im Zustand geringen Widerstands befindet, dadurdh gekennzeichnet, daß als elektronische Schalter an

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sich bekannte Kipptransistoren vorgesehen sind, die über die Basiselektrode aus einem stabilen Sperrzustand in einen ebenfalls stabilen Leitzustand und durch Absenken des im Leitzustand fließenden Haltestroms wieder in den Sperrzustand steuerbar sind.

2. Astabiler Multivibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kipptransistoren (KTl, KT 2) vorgesehen sind, deren Kollektoren über einen Kondensator (C 1) miteinander und über je einen Kollektorwiderstand (Rl, R2) mit positivem Potential verbunden sind und in deren Basiskreis je ein zeitbestimmender Kondensator (C2,

C 3) liegt, der über einen jeweils parallel zu Basis und Kollektor liegenden Ladewiderstand (R3, Z?4) aufgeladen wird.

3. Astabiler Multivibrator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kipptransistoren einen gemeinsamen Emitterwiderstand (R7), gegebenenfalls mit Parallelkondensator (C 4), besitzen und daß parallel zur Serienschaltung aus diesem Emitterwiderstand und der Basis-Emitter-Strecke jedes Kipptransistors ein Widerstand (R5, R6) geschaltet ist, dem auch der entsprechende zeitbestimmende Kondensator (C 2, C 3) parallel geschaltet ist.

4. Astabiler Multivibrator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Basiskreis der Kipptransistoren je eine Zenerdiode (DZl, DZ2) eingeschaltet ist, die einen Öffnungsstrom über die Basis-Emitter-Strecke des Kipptransistors infolge des Spannungsanstiegs an den zeitbestimmenden Kondensatoren (C 2, C 3) erst nach Überschreiten der Zenerspannung ermöglicht.

5. Astabiler Multivibrator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Ladewiderständen (R3, i?4) je eine Diode (D2.D3) vorgesehen ist, die für eine schnelle Entladung des im Basiskreis des jeweils leitenden Kipptransistors liegenden Kondensators (C 2, C 3) sorgt.

6. Astabiler Multivibrator nach Anspruch J bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Basiszuleitung eines der Kipptransistoren (KTT) die Sekundärwicklung eines Übertragers (UT) geschaltet ist, dessen Primärwicklung eine zur Synchronisation der Kippfrequenz dienende Steuerspannung zugeführt wird.

7. Astabiler Multivibrator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die die Sekundärwicklung des Übertragers enthaltende Basiszuleitung eine Diode (D4) derart geschaltet ist, daß die Basis dieses Kipptransistors nicht negativ gegen den Emitter vorgespannt werden kann.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»ElektronischeRundschau«, 1958, H. 10, S. 352/353.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen