DE1038114B - Kippschaltung mit drei stabilen Schaltzustaenden unter Verwendung von Transistoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dreipunkt-Kippschaltung unter Verwendung von Transistoren, insbesondere für Verstärkerstufen elektrischer Regeleinrichtungen. Dreipunkt-Kippschaltungen sind an sich für elektrische Regeleinrichtungen in vielen Ausführungsformen bekannt. Das wesentliche Merkmal dieser Dreipunkt-Kippschaltungen ist dies, daß mit ihnen drei stabile Betriebsstellungen gefahren werden können; d. h. mit anderen Worten, daß neben dem Kommando »Null« auch noch die Kommandos »Links« und »Rechts« bzw. »Höher« oder »Tiefer« gegeben werden können.

Weiterhin ist es bekannt, daß zur vollen Ausnutzung der Leistungsfähigkeit von Transistoren mit Vorteil sogenannte bistabile Kippschaltungen benutzt werden, bei denen man mit einer Transistor-Verlustleistung von z. B. 50 mW eine Schaltleistung von etwa 3 W erreichen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dreipunkt-Kippschaltung aufzubauen, die unter Verwendung einer geringstmöglichen Anzahl von Einzelelementen, insbesondere von Transistoren, eine höchstmögliche Leistungsentnahme in jeder der definierten Kommandostellungen zuläßt. Gemäß der Erfindung wird dies durch eine der an sich bekannten Multivibratoranordnung ähnlichen Anordnung erreicht, bei der in der Mit- bzw. Gegenkopplung nichtlineare Schaltelemente vorhanden sind, die bei Überschreiten bestimmter vorgegebener Grenzwerte leitend werden, derart, daß der Transistorstromfluß und damit die Ausgangssteuergröße sprunghaft geändert wird. Durch diese nichtlinearen Widerstände wird es möglich, mit nur zwei in symmetrischer Betriebsschaltung auf die nachfolgenden Verstärker oder Steuerstufen arbeitende Transistoren, vorzugsweise Flächentransistoren, auszukommen. Je nach der erforderlichen Steuerleistung kann die Dreipunkt-Kippschaltung gemäß der Erfindung direkt auf eine Regelstrecke arbeiten, es wird sich jedoch in vielen Fällen als vorteilhaft erweisen, als Last für die Dreipunkt-Kippschaltung eine weitere Leistungstransistorverstärkungsstufe nachzuschalten. Entsprechend der eingangs gestellten Aufgabe, nämlich drei stabile Steuerstellungen zu sichern, werden die nachfolgenden Verstärkungs- und Steuerstufen entsprechend ausgebildet. Hierbei genügen im allgemeinen ebenfalls zwei getrennte Verstärkerstufen, die so gegenseitig gekoppelt sind, daß bei gleichmäßiger Verstärkung in beiden Stufen das Ausgangssignal Null gegeben wird.

Als nichtlineare Schaltelemente werden in erster Linie Gleichrichter in Betracht gezogen. Es können jedoch an deren Stelle, soweit es die Leistungs- und Spannungsverhältnisse der Kippschaltung zulassen, Kippschaltung

mit drei stabilen Schaltzuständen
unter Verwendung von Transistoren

Anmelder:

Siemens-Schückertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Herbert Poppinger, Nürnberg,
ist als Erfinder genannt worden

auch spannungsabhängige Widerstände, z. B. Varistoren eingesetzt werden.

An Hand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert und ihre Wirkungsweise beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt eine Dreipunkt-Kippschaltung unter Verwendung von p-n-p-Flächentransistoren. Die Flächentransistoren 1 und 2 werden durch Gleiohspannungsquellen 4 und 5 mit Strom versorgt. Entsprechend dem Aufbau dieser Transistoren liegt an den Kollektoren 6 und 7 jeweils eine negative und an den Emittern 8 und 9 jeweils eine positive Spannung gegenüber der Basis 10 bzw. 11. Das Einführen der Steuerimpulse in Form veränderlicher Gleichspannungen erfolgt über die Klemmen 3/12 und 3/13 an der Basis 11 und 12 der Transistoren. Die Ausgangsgrößen werden durch die als Widerstände dargestellten Lasten 14 und 15 abgenommen. Zur Erzielung einer Gegenkopplung ist der Kollektor 6 über den Widerstand 16 mit der Basis 11 und der Kollektor 7 des Transistors 2 über den Widerstand 17 mit der Basis 10 des Transistors 1 verbunden. Schließlich ist noch in die Emitterleitung des Transistors 1 ein Widerstand 18 und in die Emitterleitung des Transistors 2 ein Widerstand 19 eingefügt. Die Widerstände 20 und 21 bilden zusammen mit den Widerständen 16 und 17 einen Rückkopplungskreis. In die Emitterleitung ist ferner noch über die Gleichrichter 22 und 23 Erdpotential eingeführt. Der Betrieb der Kippschaltung gemäß Fig. 1 ergibt sich nun wie folgt:

Liegt an den Klemmen 12, 13 kein Steuerpotential an, so fließt, vom Pluspol der Batterie 5 ausgehend, über die Widerstände 18 und 19, den Emittern 8 und 9 und den Basispolen 10 und 11 über die Klemmen 12 und 13 zurück zum Minuspol der Batterie 5 ein Strom,

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dessen Größe im wesentlichen von der Größe der Widerstände 18 und 19 bzw. von der an diesen Widerständen abfallenden Spannungen abhängt. Selbstverständlich fließt gleichzeitig auch ein Strom, von den Basispolen 10 und 11 ausgehend, über die Kollektoren, die Lasten 14 und 15, den Minuspol der Batterie 4, den Pluspol dieser Batterie zurück zu den Klemmen 12,13. Durch den vorstehend beschriebenen Stromfluß über die Lasten 14 und 15 stellen sich über die Koppelwiderstände 16 und 17 bestimmte Potentiale an den Basispolen 10 und 11 der Transistoren ein, derart, daß der Stromfluß über die Lasten 14 und 15 annähernd gleich groß ist. Hieraus ergibt sich, wie ohne weiteres ersichtlich ist, das Steuerkommando Null.

Wird nun an den Klemmen 3/12 eine gegen die Basis negative Steuerspannung eingeführt, so erhöht sich der Stromfluß über den Widerstand 19 und dem Emitter zur Basis. Mit diesem Stromfluß wird der Spannungsabfall am Widerstand 19 wesentlich erhöht. Da damit aber die positive am Emitter liegende Spannung ebenfalls absinkt, würde sich der Transistor auf einen bestimmten Stromfluß einsteuern und diesen nicht weiter überschreiten. Um nun aber eine überhöhte Steuerung zu bekommen, ist der Gleichrichter 23 vorgesehen. Da dieser Gleichrichter 23 potentialgleich mit den Klemmen 3, also auf Masse liegt, ist bei Absinken des Emitterpotentials der Stromdurchgang von der Masse über den Gleichrichter 23 zum Emitter freigegeben. Durch diese Freigabe ergibt sich ein stark überhöhter Stromfluß, der als Sekundärerscheinung den Stromfluß über den Kollektor 7 und damit die Last 15 wesentlich erhöht. Durch diese Erhöhung wird vom Kollektor 7 über den Widerstand 17 an die Basis des Transistors 1 eine derartig hohe positive Spannung angelegt, daß dieser Transistor vollkommen sperrt. Durch die Sperrung des Transistors 1 und den überhöhten Stromfluß im Transistor 2 und damit die entsprechend differenten Stromflüsse über die Lasten 14,15 ergibt sich das zweite der drei möglichen Steuerkommandos.

Geht nun das gegen die Basis 11 eingeführte negative Potential zurück, so bleibt der Stromfluß über die Last 15 so lange erhalten, bis das Potential einen der Schaltung vorgegebenen Wert unterschreitet. Ist diese Grenze erreicht, so hört der Stromfluß über die Gleichrichter 23 auf. Es stellt sich nun ein Gleichgewicht ein, bei dem zwar der eine Transistor um ein geringes mehr Strom zu führen vermag als der andere, der Verstärkungsgrad ist hierbei aber so gering, daß die Rückkopplung nicht anspricht. Der Stromfluß über die Lasten 14 und 15 ist hierbei annähernd gleich groß, es ist somit wieder der schon beschriebene Betrieb mit dem Steuerkommando Null erreicht.

Wird nun an den Klemmen 3/12 eine gegen die Basis 11 positive, oder an den Klemmen 3/13 eine gegen die Basis 10 negative, genügend große Steuerspannung eingeführt, so wird der Stromfluß über den Widerstand 19 und dem Emitter 9 zur Basis 11 gedrosselt und damit auch der Stromfluß über die Last 15. Diese Drosselung bewirkt aber, daß die von der Batterie 4 an der Last 15 anliegende negative Spannung über den Widerstand 17 in der Basis 10 des Transistors 2 eingeführt wird. Dies hat nun zur Folge, daß der Transistor 1 aufmacht, d. h., der Strom über den Widerstand 18, den Emitter 8 zur Basis 10 erhöht sich wesentlich, und damit auch über den Kollektor 6. Die Erhöhung des Stromes über den Kollektor 6 bringt aber nicht nur eine Erhöhung des Stromes über die Last 14 mit sich, sondern erhöht selbstverständlich auch das über den Widerstand 16 an der Basis des Transistors 2 eingeführte Potential im positiven Sinne, so daß auch hier wieder eine eindeutig stabile Stellung erreicht wird. Der Strom über den Transistor 2 und die Last 15 ist nahezu vollkommen unterdrückt, während der Strom über den Transistor 1 und die Last 14 sein Maximum erreicht hat.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wiederum unter Verwendung zweier p-n-p-Transistoren, die ähnlich dem Beispiel gemäß Fig. 1 eingeschaltet sind. Gleiche Teile wurden deshalb entsprechend der Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Eine Änderung der Schaltung ergibt sich lediglich durch die Schaltung der Gleichrichter 22 und 23. Sinkt durch einen überhöhten Strom über den Widerstand 19 die Spannung am Emitter 9 unter ein bestimmtes Potential ab, so wird die Potentialdurchlaßschwelle des Gleichrichters 23 überschritten und damit auch das am Emitter 8 liegende positive Potential auf den Emitter 9 geschaltet. Mit anderen Worten, die Widerstände 18 und 19 werden parallel geschaltet. Damit ergibt sich, wie ohne weiteres ersichtlich, ein überhöhter Stromfluß über den Emitter 9 und damit den Transistor 2. Die Rückkopplung erfolgt in entsprechender Weise, wie unter Fig. 1 beschrieben. Bei dieser Schaltungsart wird aber gleichzeitig noch ein zweiter zusätzlicher Effekt erreicht, durch den Stromfluß über den Gleichrichter 23 wird noch, ehe der Transistor 1 durch die Rückkopplung über den Widerstand 17 abgedrosselt wird, die am Emitter 8 liegende positive Spannung abgesenkt und damit der Stromfluß über den Transistor 1 reduziert. Wird an den Klemmen 3/12, entsprechend dem vorher beschriebenen Beispiel, eine positive oder an den Klemmen 3/13 eine negative Steuerspannung eingeführt, so ergeben sich die gleichen Schaltfunktionen, es tritt dann lediglich statt des Gleichrichters 23 der Gleichrichter 22 in Funktion, wodurch die Emitterspannung am Emitter 9 genauso abgesenkt wird wie die Spannung am Emitter 8 beim AnHegen einer negativen Steuerspannung an den Klemmen 3/12.

Während in den vorstehenden Ausführungsbeispielen Schaltungen beschrieben wurden, bei denen Gleichrichter eingeführt sind, die beim Überschreiten ihres Schwellwertes die Gegenkopplung herabsetzen, sind beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 Gleichrichter in die Rückkopplungsschaltung eingesetzt. Diese Gleichrichter tragen die Bezeichnungen 24 und 25. Zusätzlich kommen noch Strombegrenzungswiderstände 26 und 27. Die Widerstände 18 und 19 sind zu einem einzigen Widerstand, der mit 28 bezeichnet ist, zusammengefaßt. Die beiden Gleichrichter 24 und 25 liegen gegen ein an der Klemme 29 eingeführtes negatives Potential, das etwa halb so groß ist als das über die Last 14 bzw. 15 an die Kollektoren 6 bzw. 7 angeschlossene. Die abweichende Wirkung dieser Schaltung ergibt sich nun wie folgt:

Im Normalbetrieb liegt an den Klemmen 3/12 ein Potential an, das zusammen mit dem Spannungsabfall am Widerstand 28 höchstens den halben des bei Aussteuerung zulässigen Stromflusses über die Transistoren 1,2 zuläßt. Bei diesem Stromfluß ergibt sich aoi den Kollektoren 6 bzw. 7 ein negatives Potential, das kleiner ist als das negative Potential an der Klemme 29. Damit fließt über die Widerstände 27 bzw. 26 und über die Gleichrichter 24,25 ein Strom, die Gleichrichter sind also durchlässig, und an der Basis liegt über die Widerstände 16 und 17 die an der Klemme 29 angelegte negative Spannung. Kommt nun an der Klemme 12 ein positiver Impuls an, so wird der Stromfluß durch den Transistor 2 herabgesetzt.

Die Herabsetzung des Stromflusses durch den Transistor 2 und damit auch durch die Last 15 bewirkt, daß das Potential am Kollektor 7 abgesenkt wird. Diese Absenkung hat nun zur Folge, daß der Strom über den Gleichrichter 25 unterbrochen wird, denn nun liegt dieser Gleichrichter in Sperridhtung an. Nun bekommt die Basis 10 des Transistors 1 über den Widerstand 17 die hohe am Kollektor 7 anliegende negative Spannung, wodurch der Stromfluß über diesen Transistor 1 wesentlich erhöht wird. Bei dieser Schaltung wird demnach die Rückkopplung bei Erhöhung des Stromflusses über einen der Transistoren durch die Sperren der Gleichrichter 24 bzw. 25 in Betrieb gesetzt.

Während in vorstehenden Ausführungsbeispielen die Gleichrichter jeweils so eingesetzt waren, daß von der Potentialschwelle in Durchlaßrichtung Gebrauch gemacht wurde, zeigt die Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel, bei dem Gleichrichter 31 und 32 so eingesetzt sind, daß von der Potentialsohwelle in Sperrichtung ao Gebrauch gemacht wird. Selbstverständlich können an Stelle dieser Gleichrichter auch andere spannungsabhängige Widerstände Verwendung finden. Werden Gleichrichter eingesetzt, so eignen sich hierfür insbesondere die Siliciumgleichrichter. Es sei angenommen, daß das Potential an den Kollektoren 6 und 7 negativer ist als das Potential an den Basiseingängen 10 und 11. Damit liegen die Gleichrichter 31 und 32 in Sperrichtung an. Wird nun z. B. an der Klemme 12 eine positive Spannung eingeführt, so erzwingt diese eine Absenkung des Stromflusses durch den Transistor 2 und damit auch eine Absenkung des am Kollektor 7 anliegenden Potentials. Überschreitet dieses Potential ein gewisses Maß, so wird der Gleichrichter 32 in Sperrichtung leitend und beaufschlagt damit die Basis des Transistors 1 mit einem negativen Potential, erhöht also den Stromfluß im Transistor 1 und damit in der Last 14. Selbstverständlich ergibt sich eine ähnliche Funktion, wenn an der Klemme 12 ein negatives Potential eingeführt wird bzw. wenn an der Klemme 13 ein positives Potential eingeführt wird. Nur fließt in diesem Fall der Strom nicht über den Transistor 1, sondern über den Transistor 2.

Die Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem nicht die Last selbst in den Kollektorkreis eingefügt ist, sondern bei dem Widerstände 35 und 36 den Stromkreis des Kollektors schließen und bei dem an diesen Widerständen 35, 36 über die Klemmen 33,34 Spannungen zum Steuern nachfolgender Stufen abgegriffen werden. Die Wirkungsweise dieser Schalteinrichtung ergibt sich wie folgt:

Wird an der Klemme 12 eine genügend große positive Spannung eingeführt, so verringert sich der Stromfluß über den Transistor 2 und damit auch über den Widerstand 36. Hieraus resultiert ein verringerter Spannungsabfall am Widerstand 36 und damit auch eine niedrigere Spannung an den Klemmen 33. Damit Hand in Hand geht ein Absenken des Potentials am Kollektor 7, was wiederum zur Folge hat, daß beim Überschreiten einer bestimmten Grenze der Stromfluß über den Gleichrichter 41 einsetzt. Dieser einsetzende Stromfluß hat aber auch einen steigenden Stromfluß über den Spannungsteiler 20, 40, 38 zur Folge, derart, daß das Potential an der Basis 10 negativ wird. Damit ist ein Ansteigen des Stromflusses im Transistor 1 verbunden. Mit dem Steigen des Stromflusses im Transistor 1 wird das Potential am Kollektor 6 positiver. Eine Erhöhung des Stromflusses im Transistor 1 bedingt eine Erhöhung des Stromflusses im Widerstand 18 und damit eine Absenkung des Emitterpotentials am Emitter 8, 9. Damit verbunden ist wiederum eine Absenkung des Stromflusses im Transistor 2, während gleichzeitig der Stromfluß im Transistor 1 auf ein Maximum ansteigt. Auch hier liegt demnach wieder eine Transistorschaltung vor, die die einwandfreie Abgabe von drei Steuersignalen ermöglicht.

Die Erfindung ist nicht auf die gezeichneten Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr lassen sich im Rahmen der Erfindung zahlreiche Änderungen sowohl im Schaltungsaufbau als auch in der Auswahl der nicht linearen Widerstände vornehmen. Die gezeigten Ausführungsbeispiele geben nur die Grundlagen für die an sich mannigfachen Abwandlungsmöglichkeiten der Schaltungen an.

Die Verwendungsmöglichkeiten der Schaltung gemäß der Erfindung sind ebenso mannigfach wie die Abwandlungsmöglichkeiten der Schaltungen selbst. Besonders vorteilhaft läßt sich die Schaltung für Zeigerregler u. dgl. verwenden. Auch für die Steuerung impulsgesteuerter Gleichstrommotoren kann die Schaltung gemäß der Erfindung mit Erfolg eingesetzt werden.

Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur p-n-p-Transistoren aufgezeigt wurden, lassen sich die Schaltungen gemäß der Erfindung selbstverständlich auch mit n-p-n-Transistoren in ähnlicher Form aufbauen. Es ist bekannt, daß sich bei Verwendung dieser Transistortypen die angelegten HilfsSpannungen ebenso wie die Steuerspannungspotentiale umkehren, d. h., sie müssen mit umgekehrten Vorzeichen eingeführt werden. Grundsätzlich lassen sich selbstverständlich an Stelle der Flächentransistoren auch Spitzentransistoren verwenden, jedoch sind diese in Anbetracht der relativ geringen Leistung, die aus ihnen entnommen werden kann, für die Kippschaltung gemäß der Erfindung weniger geeignet.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kippschaltung mit drei stabilen Schaltzuständen unter Verwendung von Transistoren, insbesondere für Verstärkerstufen elektrischer Regeleinrichtungen, gekennzeichnet durch eine der an sich bekannten Multivibratoranordnung ähnlichen Anordnung, bei der in der Mit- bzw. Gegenkopplung nichtlineare Schaltelemente vorhanden sind, die bei Überschreiten bestimmter vorgegebener Grenzwerte leitend werden, derart, daß der Transistorstromfluß und damit die Ausgangssteuergröße sprunghaft geändert wird.

2. Kippschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von zwei in symmetrischer Basisschaltung auf die nachfolgende Verstärker- oder Steuerstufe arbeitender Flächentransistoren.

3. Kippschaltung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Gleichrichterelementen als nichtlineare Steuerelemente, derart, daß als nichtlineares Glied die Durchlaßpotentialschwelle zum Einsatz kommt.

4. Kippschaltung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Last eine nachfolgende Leistungstransistorstufe eingeführt ist.

5. Kippschaltung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung als Steuerstufe von nachgeschalteten, impulsgesteuerten Gleichstrommotoren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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