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Monostabile oder astabile Multivibratorschaltung Die Erfindung betrifft
eine monostabile oder astabile Multivibratorschaltung mit einem Koppelnetzwerk zur
Stabilisierung der Dauer des quasistabilen Zustandes der Anordnung.
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Ein monostabiler Multivibrator besteht bekanntlich im Prinzip aus
zwei geeignet rückgekoppelten Verstärkerstufen und besitzt einen stabilen Arbeitspunkt.
Er kann jedoch mit Hilfe eines Eingangssignals zu instabiler Arbeitsweise gezwungen
werden, so daß er aus seinem stabilen Zustand vorübergehend in einen quasistabilen
Zustand übergeführt wird und nach dessen Beendigung wieder selbsttätig in den anfänglich
stabilen Zustand zurückkehrt. Ein durch einen Eingangsimpuls ausgelöster monostabiler
Multivibrator gibt demnach einen Ausgangsimpuls ab, dessen Breite der Dauer des
quasistabilen Zustandes entspricht. Astabile Multivibratoren entsprechen in ihrem
Aufbau weitgehend dem monostabilen Multivibrator, mit dem Unterschied, daß sie keinen
stabilen Arbeitspunkt aufweisen und somit frei schwingend von einem in den anderen
instabilen Zustand umschalten. Sie geben demnach Ausgangsimpulse ab, deren Breite
wiederum von der Dauer des quasistabilen Zustandes bestimmt wird. Der stabile bzw.
instabile Zustand derartiger Multivibratoren ist gekennzeichnet durch wechselweises
Stromführen bzw. Gesperrtsein der beiden die Verstärkerstufen bildenden Verstärkungselemente.
Der quasistabile Zustand ist gekennzeichnet durch die Zeit, in der ein instabiler
Zustand aufrechterhalten bleibt.
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Eine Eigenschaft derartiger Schaltungen ist demnach, daß mit ihnen
Impulse bestimmter Dauer er= zeugt werden können. Es besteht die Forderung, die
Dauer der abgegebenen Impulse zu stabilisieren und damit unabhängig von ungewollten
Einflüssen zu machen. Aus dieser Forderung ergibt sich die technische Aufgabe, die
Dauer des quasistabilen Zustandes zu stabilisieren.
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Die Dauer des, quasistabilen Zustandes wird in erster Linie bestimmt
durch die Zeitkonstante des den Ausgang der einen mit dem Eingang der anderen Verstärkerstufe
verbundenen Koppelnetzwerkes (RC-Glied). Weiterhin wird die Dauer beeinflußt vom
Anfangswert der Spannung am Kondensator des Koppelnetzwerkes zu Beginn des Schaltvorganges
und dem Endwert, auf den diese Spannung nach einer e-Funktion ansteigen würde, wenn
der Schaltvorgang nicht bei einer dazwischenliegenden kritischen Sprungspannung
beendet werden würde. Demzufolge hat natürlich auch der Wert dieser durch die Dimensionierung
gegebenen kritischen Sprungspannung einen Einfiuß auf die Impulsdauer. Unstabilitäten,
die sich infolgeTemperaturschwankungen, Betriebsspannungsschwankungen usw. ergeben,
können also vermieden werden durch Stabilisierung der hier genannten Größen.
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Es ist bereits bekannt, z. B. die Zeitkonstante des koppelnden RC-Gliedes
gegen Temperaturschwankungen dadurch zu stabilisieren, daß der Temperaturkoeffizient
des Widerstandes gleich aber entgegengesetzt dem des Kondensators gewählt wird.
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Weiterhin ist es bekannt, den Spannungsverlauf am Koppelnetzwerk während
des Schaltvorganges, also während der Umladung des Kondensators, nicht nach einer
e-Funktion verlaufen zu lassen, sondern den Verlauf durch Einschalten einer vorgespannten
Diode mit entsprechender Kennlinie zu begradigen. Durch diese Maßnahme werden wohl
Einflüsse von Betriebsspannungsschwankungenverringert, aber nicht beseitigt.
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Bekannt ist außerdem, .die kritische Sprungspannung dadurch zu stabilisieren,
daß der Anstieg des Spannungsverlaufes bei diesem Wert möglichst steil gewählt wird.
Dies kann erreicht werden durch möglichst großen Unterschied zwischen Anfangswert
und dem genannten eigentlichen Endwert der Spannung am Kondensator des Koppelnetzwerkes.
Diese Maßnahme bedingt aber, daß die Widerstände, über die der Kondensator umgeladen
wird, möglichst groß gewählt werden, die aber besonders bei der Erzeugung kurzer
Impulse wiederum kleine Werte haben sollten.
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Zur Stabilisierung des Anfangswertes der genannten am Koppelnetzwerk
liegenden Spannung ist es bereits bekanntgeworden, Dioden zur Begrenzung
in
üblicher Schaltung einzufügen. Diese Maßnahme erfordert selbstverständlich eine
exakt stabilisierte Betriebsspannung.
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Der Endwert der Spannung, es handelt sich in den meisten Schaltungen
um die Betriebsspannung selbst, kann nur durch eine gute Stabilisierung der Betriebsspannung
konstant gehalten werden. Bei strengen Forderungen an die Konstanz der Impulsdauer
werden die Aufwendungen zur Stabilisierung der Betriebsspannungen erheblich.
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Zur Vermeidung der bei den bekannten Schaltungen auftretenden Schwierigkeiten
und Mängel, insbesondere zur Vermeidung des Aufwandes für eine exakte Stabilisierung
der Betriebsspannungen, die zur Stabilisierung der Impulsdauer notwendig ist, wird
eine monostabile oder astabile Multivibratorschaltung mit einem Koppelnetzwerk zur
Stabilisierung der Dauer des quasistabilen Zustandes der Anordnung vorgeschlagen,
derart, daß in an sich bekannter Weise der Ausgang der einen mit dem Eingang der
anderen Stufe des Multivibrators, bestehend z. B. aus Transistoren, durch einen
Koppelkondensator verbunden ist, dessen beiden Belegungen gesonderte, in zeitlich
konstantem Verhältnis zueinander stehende Gleichströme zweier Konstantstromgeneratoren
zugeführt werden und dessen am Ausgang der einen Stufe gelegene Belegung außerdem
über einen Widerstand am Bezugspotential liegt, derart, daß die am Widerstand anliegende,
dem Gleichstrom proportionale Spannung zu Beginn des quasistabilen Zustandes durch
Leitendwerden des parallelliegenden Transistors am Koppelkondensator einen den zuvor
infolge des Gleichstroms leitenden Transistor sperrenden Spannungssprung hervorruft
und der Koppelkondensator während der Dauer des quasistabilen Zustandes durch den
Gleichstrom zeitlinear umgeladen wird.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich dadurch, daß
zur Erzeugung der in zeitlich konstantem Verhältnis zueinander stehenden Gleichströme
der Konstantstromgeneratoren an den Belegungen des Koppelkondensators je einer der
Kollektoren zweier mit ihren Basen verbundener und bezüglich der die beiden Systeme
des Multivibrators bildenden Transistoren den umgekehrten Leitungstyp aufweisender
Transistoren liegt, deren Emitter über Widerstände an die Betriebsspannung des Multivibrators
geführt sind.
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Schwankungen des Basispotentials der beiden als Konstantstromgeneratoren
verwendeten Transistoren, wie sie während eines Schaltvorganges auftreten können,
werden dadurch vermieden, daß der gemeinsame Basisanschluß einerseits über einen
Kondensator mit der Betriebsspannung, andererseits über einen Widerstand mit dem
Bezugspotential verbunden ist und die Zeitkonstante dieses Gliedes bei Berücksichtigung
der dazu parallelliegenden Schaltelemente groß gegenüber der Dauer des quasistabilen
Zustandes gewählt wird.
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Um die beiden Konstantstromgeneratoren gegen Temperaturschwankungen
unempfindlich zu machen, wird weiterhin vorgeschlagen, daß die beiden verwendeten
Transistoren dem gleichen Typ angehören und ihre Emitterwiderstände gleich groß
gewählt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis
3 näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 den prinzipgemäßen Aufbau eines Multivibrators
mit einem Koppelnetzwerk nach der Erfindung, F i g. 2 die am Koppelkondensator auftretenden
Spannungen während eines Schaltvorganges und 5 ,; F i g. 3 ein funktionsfähiges
Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, wobei bereits die zur Temperaturkompensation
zusätzlich verwendeten Bauelemente hinzugefügt sind.
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Die beiden pnp-Transistoren T10 und T20 liegen o mit ihren Emittern
an der Bezugsspannung, mit ihren Kollektoren über die Arbeitswiderstände R
10 und R20 an der Betriebsspannung - U und bilden die beiden Verstärkerstufen
eines monostabilen Multivibrators in vereinfachter Darstellung. Als zeitbestimmendes
Glied ist der Kondensator C3 eingefügt, der den Ausgang, d. h. den Kollektor des
Transistors T10, mit dem Eingang, d. h. der Basis des Transistors
T20, verbindet. An die beiden Belegungen des Kondensators C3 sind außerdem
die Kollektoren zweier npn-Transistoren T 1 und T 2 ge-
führt,
deren Emitter über Widerstände R 1 und R 2
an der gemeinsamen Betriebsspannung
- U liegen. Die Basen der Transistoren T 1 und T 2 sind
miteinander verbunden. Der Kollektor des Transistors T1 ist außerdem über einen
Widerstand R 3 an Bezugspotential gelegt. Im Ruhezustand sei der Transistor T10
gesperrt und der Transistor T20 leitend. Die beiden als Urstromquellen dienenden
Transistoren T 1 und T 2 ziehen Ströme 11 und 12. Die
Ströme werden bestimmt durch die gemeinsame Betriebsspannung, die gemeinsame Basisspannung
der beiden Transistoren und außerdem durch die Größe der Emitterwiderstände R1 bzw.
R.. Insbesondere bei Verwendung von Transistoren T1 und T" des gleichen Typs kann
als sicher angenommen werden, daß bei Temperaturschwankungen und Betriebsspannungsschwankungen
sich die Ströme Il und 12 gleichmäßig verändern und sie somit zumindest stets in
konstantem Verhältnis zueinander stehen. Im Ruhezustand des Multivibrators liegen
demnach an den Belegungen des Kondensators C3 folgende Potentiale: auf der linken
Seite die infolge des Stromes Il am Widerstand R 3 abfallende Spannung Uc und auf
der rechten Seite die den Transistor T20 leitend haltende Basissteuerspannung
UB. Der Strom 12 fließt dabei als Steuerstrom aus der Basis dieses Transistors
heraus. Wird nun dem bis jetzt gesperrten Transistor T10 an seiner Basis
ein ihn in den in Sättigung leitenden Zustand steuender Spannungsimpuls zugeführt,
so wird über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T10 der Widerstand R
3 plötzlich kurzgeschlossen. Am Koppelkondensator C3 wird also ein Spannungssprung
von der Größe Uc hervorgerufen, der über den Koppelkondensator C3 auf die Basis
des Transistors T20 übertragen wird und den vorher leitenden Transistos in den gesperrten
Zustand umsteuert. Mit diesem Vorgang setzt also der quasistabile Zustand des Multivibrators
ein. Da der Transistor T20 nunmehr gesperrt ist, lädt der Strom 1l den Kondensator
C3 zeitlinear um. Die Umladung erfolgt so lange, bis an der Basis des Transistors
T20
wiederum die Anfangsbedingung hergestellt ist, also der Transistor leitend
wird, was das Ende des quasistabilen Zustandes bedeutet. Der Potentialverlauf
UB,
an der rechten Seite des Kondensators und damit an der Basis des Transistors
T20 ist in F i g. 2 dargestellt. Zum Zeitpunkt t1 wird Transistor T10 infolge eines
Steuerimpulses leitend. Die Spannung
springt um den Betrag Uc, und
dadurch wird der Transistor T20 gesperrt. Es ist UB, = UB ;-- Uc. Der Strom
12 lädt nun den Kondensator linear mit der Zeit t um, so daß sich ergibt:
wenn C3 die Kapazität des Kondensators C 3 darstellt.
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Zur Zeit t2 ist die Spannung UB, so weit abgesunken, daß sie
wieder den Wert UB erreicht hat und der Transistor T20 gesperrt wird. Die
Dauer des quasistabilen Zustandes ergibt sich also zu
und da das Verhältnis
= K = konstant ist, T = K - R3- C3. Daraus ist ersichtlich, daß die Dauer des quasistabilen
Zustandes und damit die Dauer des vom Multivibrator abgegebenen Impulses unabhängig
von Betriebsspannungsschwankungen ist. Eine Voraussetzung ist noch, daß die Steuerspannung
an den beiden Transistoren T1 und T2 zur Zeit des auftretenden Spannungssprungs
und während der Dauer des quasistabilen Zustandes gleichbleibt. Aus diesem Grunde
ist der gemeinsame Basisanschluß an ein RC-Glied angeschlossen. Der Kondensator
C4 hält in Verbindung mit dem Widerstand R 4 die Steuerspannung konstant, sofern
die sich ergebende Zeitkonstante groß im Verhältnis zur Dauer des quasistabilen
Zustandes gewählt wird. über den Wider-.. stand R 4 wird gleichzeitig der notwendige
Basisstrom für die Transistoren T 1 und T 2 zugeführt und das Basispotential
auf einen brauchbaren Wert eingestellt.
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Das funktionsfähige Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 stellt einen
monostabilen Multivibrator dar. Das erfindungsgemäße Koppelnetzwerk ist über die
Dioden D 11 und D 21 an den Kollektor bzw. die Basis der Transistoren
T10 bzw. T20 an-
geschlossen. Für die Dioden D11 und D 21 sind
zweckmäßigerweise Siliziumdioden zu verwenden, um die Rückströme klein zu halten.
Bei gesperrtem Transistor T10 (Ausgangsstellung) ist auch Diode D11 gesperrt,
da über den Widerstand R10 kein Spannungsabfall erfolgt. Der Strom durch den Widerstand
R3, der ja die Spannung Uc bestimmt, setzt sich zusammen aus dem Strom 11 und dem
Sperrstrom ID 11 der Diode D 11. Während der Dauer des quasistabilen Zustandes
ist Transistor T20 gesperrt. Seine definierte Sperrspannung erhält er über das Dioden-Widerstand-Glied
D 20R 21. Das Potential an der rechten Seite des Kondensators C3 ist während seiner
Umladung im quasistabilen Zustand positiver als das Basispotential des Transistors
T20. Damit ist während dieser Zeit auch die Diode D21 gesperrt, und der Umladestrom
für den Kondensator C3 setzt sich zusammen aus dem Strom 12 und dem Sperrstrom 1D
21 der Diode D 21. Unter der Bedingung, daß I1 > 1D 11 und
12 > 1D 21 ist, was bei Verwendung von Siliziumdioden gegeben ist, bleibt
das Verhältnis der Summenströme konstant.
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Die Diode D 3 in Reihe zum Widerstand R 3 dient dazu, die Temperaturabhängigkeit
der Spannung Uc zu beseitigen, um die das. Potential zu Beginn des quasistabilen
Zustandes am Kondensator C3 springt. Zu diesem Zweck wird die Diode D 3 nach ihren
Halbleitereigenschaften im Hinblick auf Durchlaßwiderstand und dessen Temperaturabhängigkeit
derart ausgesucht, daß sie mit den entsprechenden Größen der parallel dazu liegenden
Reihenschaltung aus Diode D 11 und Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T10
im leitenden Zustand übereinstimmen.
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Die weiteren in der Schaltung nach F i g. 3 verwendeten Schaltelemente
dienen lediglich zur Vervollständigung des monostabilen Multivibrators, und ihre
Verwendung stellt bekannte Maßnahmen dar. So werden dem Eingang E über das differenzierende
Glied C 10R 12 und das eine bestimmte Schwellspannung erzeugende; durch ein vorgespannte
Diode D13 dargestellte Glied die den Multivibrator anstoßenden Impulse zugeführt.
Das außerdem am Eingang. angeordneteDoden-Widerstand-Glied R 11 D 10 erzeugt eine
definierte Sperrspannung. Vom Ausgang A, an dem die in ihre Breite stabilisierten
Ausgansimpulse, anstehen, führt außerdem der übliche Rückkopplungskreis, bestehend
aus dem Zeitglied R 22 C 20 in Reihe mit einer . Diode D 12, zum Eingang
der anderen Stufe zurück.
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Das hier beschriebene erfindungsgemäße Koppelnetzwerk wird in entsprechender
Weise bei astabilen Multivibratoren verwendet. Bei dieser Art von Multivibratoren
ist es gemäß deren Aufbau und Funktion sinngemäß, das Netzwerk zweimal einzufügen.