DE1130848B

DE1130848B - Protection circuit for amplifier transistors in the drive circuit for remagnetization of magnetic cores

Info

Publication number: DE1130848B
Application number: DEJ19180A
Authority: DE
Inventors: Ivars George Akmenkalns
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1959-12-23
Filing date: 1960-12-19
Publication date: 1962-06-07

Description

Schutzschaltung für Verstärker -Transistoren im Treibstromkreis zur Ummagnetisierung von Magnetkernen In den datenbehandelnden Maschinen und Fernmeldeanlagen werden gegenwärtig weitgehend Magnetkerne als Speicher und Schaltungselemente verwendet. Es ist bekannt, daß ein Magnetkern, nachdem er in seinen Sättigungszustand ausgesteuert worden ist, als Belastung eine sehr geringe Impedanz darstellt. Diese Tatsache stellt ziemlich hohe Anforderungen an die die Ummagnetisierung des Kernes bewirkende Steuerstufe. Die Forderung, daß die Steuerstufe in der Lage sein muß, einmal eine Belastung mit beträchtlicher Impedanz und auch eine Belastung dann zu steuern, wenn deren Impedanz einen sehr kleinen Wert angenommen hat, macht es notwendig, daß eine ziemlich aufwendige Steuerstufe verwendet wird, oder aber, daß Vorkehrungen getroffen werden, durch die die Steuerstufe die niedrige Impedanz nicht auszusteuern braucht. Eine Steuerstufe, die einerseits zum Steuern einer Belastung mit hoher Impedanz dienen und andererseits auch für eine Belastung mit einer niedrigen Impedanz geeignet sein soll, ist nicht nur in ihrer Herstellung teuer, sondern weist auch relativ hohen Leistungsbedarf auf, insbesondere beim Ansteuern der niedrigen Impedanz. Wenn man Transistoren als Verstärkerelemente in Steuerstufen verwendet, dann kann man eine hohe Impedanz mit einem relativ billigen Verstärker-Transistor ansteuern. Da jedoch Transistoren der üblichen Art nicht für hohe Ströme geeignet sind, kann dann, wenn die Belastung eine niedrige Impedanz darstellt, ein so hoher Strom fließen, daß der Transistor zerstört wird. Dies ist der Fall, wenn die Kennlinie der vom Verstärker gesteuerten Belastung von einem relativ hohen Impedanzwert nach einem relativ niedrigen Impedanzwert verläuft, oder aber dann, wenn die Belastung durch Ausfallen einiger Bauelemente kurzgeschlossen wird. In beiden Fällen kann eine Zerstörung des Verstärker-Transistors eintreten, wenn nicht die der Steuerstufe dargebotene niedrige Impedanz kompensiert wird. Zu diesem Zweck hat man bisher in Reihe mit der Belastung nicht lineare Elemente eingeschaltet, um so zu verhindern, daß sich dem Verstärker eine Belastung mit niedriger Impedanz darbietet. Da diese in Reihe geschalteten Schaltelemente im allgemeinen nur dann wirksam werden, wenn eine zweckentsprechende Steuerung erreicht wurde, stellen sie hinsichtlich des Leistungsbedarfs kostspielige Bauelemente dar, die Wärme erzeugen, welche dann irgendwie abgeleitet werden muß.Protection circuit for amplifier transistors in the drive circuit for Magnetization reversal of magnetic cores in the data-handling machines and telecommunications systems Magnetic cores are currently widely used as memories and circuit elements. It is known that a magnetic core after it has been driven into its saturation state when the load represents a very low impedance. This fact represents quite high demands on the control stage causing the core reversal. The requirement that the tax level must be able to handle a load once considerable impedance and also to control a load if its impedance has assumed a very small value, it makes it necessary that a rather expensive one Tax level is used, or that precautions are taken by which the control stage does not need to control the low impedance. A tax bracket which on the one hand serve to control a load with high impedance and on the other hand should also be suitable for a load with a low impedance is not only expensive to manufacture, but also has a relatively high power requirement especially when driving the low impedance. If you think of transistors as Amplifier elements used in control stages, then one can have a high impedance drive a relatively cheap amplifier transistor. However, since transistors of the usual type are not suitable for high currents, then if the load A low impedance represents so high a current will flow that the transistor gets destroyed. This is the case when the characteristic curve is the one controlled by the amplifier Loading from a relatively high impedance value to a relatively low impedance value runs, or if the load is caused by the failure of some components is short-circuited. In both cases the amplifier transistor can be destroyed occur if the low impedance presented to the control stage is not compensated will. For this purpose one has previously had non-linear elements in series with the load turned on so as to prevent the amplifier from being subjected to a lower load Impedance presents. Since these series-connected switching elements in general only become effective if an appropriate control has been achieved, they represent costly components in terms of power requirements that Generate heat, which then has to be dissipated somehow.

Aufgabe der Erfindung ist es also, eine verbesserte Steuerstufe oder Steuerschaltung zum Aussteuern einer nicht linearen Belastung zu schaffen. Obergenannte Nachteile werden erfindungsgemäß in einer Schutzschaltung einer Steuerstufe dadurch beseitigt, daß im Ausgangsstromkreis eines Verstärker-Transistors in Reihe mit einer ersten nicht linearen Belastung, z. B. einem Magnetkern, ein zweites nicht lineares Element angeordnet ist, dessen Impedanz beim Ansteuern des ersten Elementes in den Sättigungszustand übergeht, wodurch ein Signal erzeugt wird, das bei seiner Rückübertragung zum Eingang des Verstärker-Transistors diesen abschaltet, so daß die Zerstörung des nunmehr unbelasteten Verstärker-Transistors verhindert wird.The object of the invention is therefore to provide an improved control stage or To create control circuit for modulating a non-linear load. The above According to the invention, there are disadvantages in a protective circuit of a control stage eliminates that in the output circuit of an amplifier transistor in series with a first non-linear load, e.g. B. a magnetic core, a second non-linear Element is arranged whose impedance when driving the first element in the Saturation state passes, creating a signal that when retransmitted to the input of the amplifier transistor this switches off, so that the destruction the now unloaded amplifier transistor is prevented.

Weitere -Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Steuerstufe in Verbindung mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der Steuerstufe gemäß der Erfindung, Fig. 2 die Wellenformen der Steuersignale in gleichem Zeitmaßstab wie die in Fig. 1 gezeigten Signale, Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Steuerstufe.Further advantages of the invention emerge from the following Description of exemplary embodiments of the control stage in conjunction with the drawings. In the drawings, FIG. 1 shows a schematic representation of the control stage according to FIG of the invention, Fig. 2 shows the waveforms of the control signals on the same time scale like the signals shown in FIG. 1, FIG. 3 shows a further embodiment of the control stage.

Die in der Fig. 1 dargestellte Schaltung dient zur Steuerung eines sättigungsfähigen Magnetkernes 11. Diese Steuerstufe oder Steuerschaltung enthält einen Verstärker-Transistor 1.2 mit einem geerdeten Emitter 13, einer Basis 14 und einem Kollektor 15. Der Kollektor 15 ist über die Wicklung 16 und 17 mit einer negativen Spannungsquelle - V 1 verbunden. Die Wicklungen 17 und 16 liegen auf den Kernen 11 bzw. 18 und dienen zu der Steuerung dieser Kerne. Die Kerne 11 und 18 stellen je ein nicht lineares Impedanzelement dar. Wenn der Magnetkern 11 ausgesteuert werden soll, dann wird ein. negatives Signal an die Klemme 19 und über einen Kondensator 21 an die Basis 14 des Verstärker-Transistors 12 angelegt. Durch dieses an die Basis 14 angelegte negative Signal wird der Verstärker 12 eingeschaltet, so daß durch die Wicklungen 16 und 17 ein Strom fließt. Der Kern 18 ist mit einer Wicklung 22 versehen, die den Kern 18 in einer entgegengesetzten Richtung zu dem durch die Wicklung 16 induzierten Fluß vormagnetisiert. Zum Kippen des Kernes 18 muß daher der Verstärker 12 einen höheren Strom liefern, als zum Kippen des Kernes 11. Wenn der Verstärker 12 eingeschaltet ist, wird der Kern 11 gekippt. Während der Kippzeit des Kernes 11 liegt das Ausgangssignal des Verstärkers 12 an einer relativ hohen Impedanz. Während der Kippzeit des Kernes 11 fließt durch die Wicklung 16 ein Strom, der zum Kippen des Kernes 18 nicht ausreicht. Daher stellen die Wicklung 16 und der Kern 18 für den Stromfiuß durch die Wicklung 17 eine niedrige Impedanz dar, wenn der Kern 11 gekippt wird. Sobald jedoch der Kern 11 gekippt ist, stellen der Kern 11 und die Wicklung 17 eine niedrige Impedanz dar, und der durch die Wicklungen 16 und 17 fließende Strom steigt genügend hoch an, um den Kern 18 zu kippen. Wenn der Kern 18 gekippt ist, wird an der Wicklung 23 ein Signal erzeugt und an die Basis 24 eines zweiten Verstärker-Transistors 25 übertragen. Der Ermitter 26 des Verstärkers 25 ist mit einer positiven Spannungsquelle -I- V1 --und sein Kollektor 27 mit der Basis 14 des Verstärkers 12 verbunden. Wicklungssinn der Wicklung 23 auf dem Kern 18 ist derart gewählt, daß das Kippen des Kerns 18 in der Wicklung 23 ein Signal mit einer solchen Polarität induziert, daß die Basis 24 des Verstärkers 25 in negativer Richtung gesteuert und damit der Verstärker 25 eingeschaltet wird. Sobald der Verstärker 25 eingeschaltet ist, gelangt von seinem Kollektor 27 ein positives Ausgangssignal an die Basis 14 des Verstärkers 12, wodurch der Verstärker 12 gesperrt wird, so daß kein Strom mehr durch die Wicklungen 16 und 17 fließt. Sobald der Verstärker 12 gesperrt ist, bewirkt der in der Wicklung 22 fließende Strom die Rückstellung des Kernes 18 in seinen Anfangszustand der Magnetisierung, wodurch das den Kern 18 enthaltende nicht lineare Impedanzelement für den nächsten Arbeitsvorgang bereit ist. Wenn der Kern 11 nicht durch einen über die Rückstellwicklung 28 fließenden Strom rückgestellt wird; verbleibt der Kern 11 in einem Magnetisierungszustand, in dem der durch die Wicklung 17 fließende Strom nur eine niedrige Impedanz vorfindet. In diesem Zustand bewirkt ein anderes an die Klemme 19 und über den Kondensator 21 an die Basis 14 des Verstärkers 12 angelegtes Signal (Fig. 2) erneut das Einschalten des Verstärkers 12. Da jedoch jetzt, nachdem der Kern 11 nicht zurückgekippt wurde, sich dem durch die Wicklung 17 fließenden Strom eine niedrige Impedanz darbietet, steigt der Strom sehr rasch auf die zum Kippen des Kernes 18 erforderliche Stromstärke an. Sobald das Kippen des Kernes 18 beginnt, wird wieder ein Signal an die Basis 24 des Verstärkers 25 angelegt, der seinerseits ein Signal an Basis 14 des Verstärkers 12 abgibt und damit den Verstärker 12 unmittelbar sperrt. Auf diese Weise wird der nun leer laufende Verstärker 12 nicht durch den zu groß werdenden Kollektorstrom zerstört. Es ist auch ersichtlich, daß dann, wenn die Wicklung 17 auf dem Kern 11 aus irgendeinem Grunde kurzgeschlossen ist, die Schaltung in gleicher Weise arbeitet und den Verstärker 12 augenblicklich sperrt.The circuit shown in Fig. 1 is used to control a saturable magnetic core 11. This control stage or control circuit contains an amplifier transistor 1.2 with a grounded emitter 13, a base 14 and a collector 15. The collector 15 is via the winding 16 and 17 connected to a negative voltage source - V 1. The windings 17 and 16 lie on the cores 11 and 18 and are used to control these cores. The cores 11 and 18 each represent a non-linear impedance element. If the magnetic core 11 is to be controlled, then a. negative signal is applied to the terminal 19 and via a capacitor 21 to the base 14 of the amplifier transistor 12. This negative signal applied to the base 14 turns on the amplifier 12 so that a current flows through the windings 16 and 17. The core 18 is provided with a winding 22 which biases the core 18 in a direction opposite to the flux induced by the winding 16. To tilt the core 18, the amplifier 12 must therefore supply a higher current than to tilt the core 11. When the amplifier 12 is switched on, the core 11 is tilted. During the breakdown time of the core 11, the output signal of the amplifier 12 is at a relatively high impedance. During the tilting time of the core 11, a current flows through the winding 16 which is not sufficient to tilt the core 18. Therefore, the winding 16 and the core 18 present a low impedance for the flow of current through the winding 17 when the core 11 is tilted. However, as soon as the core 11 is tilted, the core 11 and winding 17 present a low impedance and the current flowing through the windings 16 and 17 increases sufficiently to tilt the core 18. When the core 18 is tilted, a signal is generated on the winding 23 and transmitted to the base 24 of a second amplifier transistor 25. The emitter 26 of the amplifier 25 is connected to a positive voltage source -I- V1 - and its collector 27 is connected to the base 14 of the amplifier 12. The direction of winding of the winding 23 on the core 18 is selected such that the tilting of the core 18 in the winding 23 induces a signal with such a polarity that the base 24 of the amplifier 25 is controlled in the negative direction and the amplifier 25 is switched on. As soon as the amplifier 25 is switched on, a positive output signal is passed from its collector 27 to the base 14 of the amplifier 12, whereby the amplifier 12 is blocked so that no more current flows through the windings 16 and 17. As soon as the amplifier 12 is blocked, the current flowing in the winding 22 causes the core 18 to be returned to its initial state of magnetization, whereby the non-linear impedance element containing the core 18 is ready for the next operation. When the core 11 is not reset by a current flowing through the reset winding 28; the core 11 remains in a magnetization state in which the current flowing through the winding 17 has only a low impedance. In this state, another signal applied to terminal 19 and via capacitor 21 to base 14 of amplifier 12 (FIG. 2) causes amplifier 12 to be switched on again If the current flowing through the winding 17 presents a low impedance, the current rises very rapidly to the current strength required to tilt the core 18. As soon as the core 18 begins to tilt, a signal is again applied to the base 24 of the amplifier 25, which in turn emits a signal to the base 14 of the amplifier 12 and thus immediately blocks the amplifier 12. In this way, the amplifier 12, which is now idling, is not destroyed by the collector current which is becoming too large. It will also be seen that if the winding 17 on the core 11 is short-circuited for any reason, the circuit will operate in the same way and the amplifier 12 will be disabled instantaneously.

Während des gewöhnlichen Betriebes der Schaltung wird der Kern 11 durch ein über seine Rückstellwicklung 28 angelegtes Signal vor dem Einschalten des Verstärkers 12 zurückgestellt.During normal operation of the circuit, the core 11 by a signal applied via its reset winding 28 before switching on of the amplifier 12 is reset.

Die in der Fig. 2 mit a bezeichnete Wellenform ist eine graphische Darstellung der an die Klemme 19 angelegten Eingangssignale, während die Wellenform b eine graphische Darstellung der Ausgangssignale vom Kollektor 15 des Verstärkers 12 ist. Man sieht, daß der Kollektor 15 zwischen den Zeiten t 0 und t 1 im Normalbetrieb der Schaltung an einer relativ hohen positiven Spannung liegt. Das Intervall zwischen den Zeiten t 0 und t 1 ist die für das Kippen des Kernes erforderliche Zeit zusätzlich zu der für das Kippen des Kernes 18, um über den Verstärker 25 ein Signal an den Verstärker 12 abzugeben, das diesen sperrt. Aus der Fig. 2 ersieht man außerdem, daß das Eingangssignal des Verstärkers 12 bis zur Zeit t2 andauert. Infolge der Rückkopplungs-Verbindung zwischen dem Ausgang des Verstärkers 12 und dessen Eingang wird eine Abnahme der Belastung festgestellt und ein Signal an den Verstärker 12 zurückgeführt, das den Verstärker 12 abschaltet, bevor das Eingangssignal beendet ist. Der Verstärker 12 bleibt nur für einen Teil der Dauer des Eingangssignals eingeschaltet. Die Zeit zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 ist die Zeit, für die der Verstärker beim Fehlen eines Belastungswiderstandes eingeschaltet bleibt. Diese Zeit ist um die zum Kippen des Kernes 11 erforderliche Zeit kleiner als das Intervall zwischen den Zeitpunkten t 0 und t 1. Das den Kern 18 enthaltende nicht lineare Impedanzelement stellt daher die Abnähme der Belastung am Ausgang des Verstärkers 12 fest und liefert in Abhängigkeit davon ein Signal, das dem Eingang des Verstärkers zugeführt wird und den Verstärker 12 ausschaltet, um eine Zerstörung des Verstärkers 12 zu verhüten und um gleichzeitig unnötigen Leistungsverbrauch zu verhindern, nachdem der Verstärker 12 als Steuerstufe gewirkt hat. Dies wird dadurch erreicht, daß der Verstärker während seines »EIN«-Zustandes zwangläufig in seinem Sättigungszustand verbleibt. Vom Kern 11 kann, falls gewünscht, über die Wicklung 29 ebenfalls ein Ausgangssignal abgenommen werden.The waveform labeled a in FIG. 2 is a graphical representation of the input signals applied to terminal 19, while waveform b is a graphical representation of the output signals from collector 15 of amplifier 12. It can be seen that the collector 15 is at a relatively high positive voltage between times t 0 and t 1 during normal operation of the circuit. The interval between times t 0 and t 1 is the time required for tilting the core in addition to that for tilting the core 18 in order to output a signal via the amplifier 25 to the amplifier 12, which blocks it. From FIG. 2 it can also be seen that the input signal of the amplifier 12 lasts until time t2. As a result of the feedback connection between the output of amplifier 12 and its input, a decrease in the load is detected and a signal is fed back to amplifier 12 which switches off amplifier 12 before the input signal is terminated. The amplifier 12 remains switched on for only part of the duration of the input signal. The time between times t3 and t4 is the time for which the amplifier remains switched on in the absence of a load resistor. This time is smaller than the interval between times t 0 and t 1 by the time required to tilt core 11 a signal which is fed to the input of the amplifier and which switches off the amplifier 12 in order to prevent destruction of the amplifier 12 and at the same time to prevent unnecessary power consumption after the amplifier 12 has acted as a control stage. This is achieved by the fact that the amplifier forcibly remains in its saturation state during its "ON" state. If desired, an output signal can also be taken from the core 11 via the winding 29.

Die Fig. 3 zeigt eine abgeänderte Form der in der Fig. 1 dargestellten Steuerschaltung. Ein Transistor-Verstärker 31 in Emitterschaltung (geerdeter Emitter) weist einen Emitter 32, eine Basis 33 und einen Kollektor 34 auf. Der Kollektor 34 ist mit der Wicklung 35 auf einem Kern 36 und über die Wicklung 17 auf dem Kern mit einer negativen Spannungsquelle - V 2 verbunden. Der Kern 11 und seine Wicklungen in Fig. 3 entsprechen genau dem Kern 11 und dessen Wicklungen in Fig. 1. Daher sind zu ihrer Kennzeichnung die gleichen Bezugsziffern verwendet. Ein negatives Eingangssignal wird an die Klemme 37 angelegt und über den Kondensator 38 zur Basis usw. zum Eingang 33 des Verstärkers 31 übertragen. Durch dieses negative Signal wird der Verstärker 31 eingeschaltet und schickt einen Strom durch die Wicklungen 17 und 35. Das den Kern 36 enthaltende nichtlineare Impedanzelement hat eine Vormagnetisierungswicklung 39, die die gleiche Aufgabe hat, wie die Wicklung 22 auf den Kern 18 in Fig. 1. Wie vorher wird bei einer Abnahme der Belastung der Kern 36 gekippt. Dadurch wird in der Wicklung 41 ein Signal induziert, das unmittelbar an die Basis 33 des Verstärkers 31 zurückgeführt wird. Der Wicklungssinn der Wicklung 41 ist derart gewählt, daß das an die Klemme 42 abgegebene Ausgangssignal positiv ist. Durch das an die Klemme 42 angelegte positive Signal steigt das Potential an der Basis 33 des Verstärkers an, so daß dieser gesperrt wird. Dieses positive Potential wird an die Klemme 42 zurückgeführt, nachdem der Kern 11 gekippt ist oder dann, wenn die Wicklung 17 kurzgeschlossen ist oder der Kern 11 nicht durch Erregung der Wicklung 28 zurückgestellt wird. Im Stromkreis mit der Wicklung 41 liegt eine Diode 43, die sicherstellt, daß das an der Klemme 44 liegende Potential sich in positiver Richtung in bezug auf das Potential der Klemme 42 in der Zeit ändert, in der der Kern 36 durch die Steuerwicklung 39 zurückgestellt wird, ohne daß dabei der Verstärker 31 eingeschaltet wird. Die Diode 43 ermöglicht eine rasche Ableitung des bei der Rückstellung des Kernes 36 über der Wicklung 41 erzeugten Signals. Dadurch wird auch bei dieser Ausführung der Verstärker 31 unmittelbar ausgeschaltet, nachdem er seine Steuerung durchgeführt hat. Mit der Anordnung eines nichtlinearen Impedanzelementes und eines nach dem Eingang des Verstärkers führenden Rückkopplungs-Stromkreises wurde eine Steuerschaltung geschaffen, die nur während des eigentlichen Steuervorganges arbeitet. Eine solche Anordnung belastet den Verstärker weniger, verhindert eine Beschädigung oder Zerstörung des Verstärkers, wenn etwa die Belastung ausfallen sollte, und verhindert die unnötige Erwärmung beim Ansteuern der Belastung, nachdem der eigentliche Steuervorgang durchgeführt wurde.FIG. 3 shows a modified form of that shown in FIG Control circuit. A transistor amplifier 31 in a common emitter circuit (grounded emitter) has an emitter 32, a base 33 and a collector 34. The collector 34 is with the winding 35 on a core 36 and via the winding 17 on the core connected to a negative voltage source - V 2. The core 11 and its windings in Fig. 3 correspond exactly to the core 11 and its windings in Fig. 1. Therefore the same reference numbers are used to identify them. A negative input signal is applied to terminal 37 and via capacitor 38 to the base, etc. to the input 33 of the amplifier 31 are transmitted. This negative signal becomes the amplifier 31 switched on and sends a current through the windings 17 and 35. The nonlinear impedance element including core 36 has a bias winding 39, which has the same task as the winding 22 on the core 18 in FIG. 1. As before, as the load decreases, the core 36 is tilted. This will in the winding 41 induces a signal which is sent directly to the base 33 of the amplifier 31 is returned. The direction of winding of the winding 41 is chosen such that the output signal delivered to terminal 42 is positive. By that to the terminal 42 applied positive signal increases the potential at the base 33 of the amplifier so that it is blocked. This positive potential is applied to terminal 42 returned after the core 11 has tilted or when the winding 17 is short-circuited or the core 11 is not reset by energizing the winding 28. in the Circuit with the winding 41 is a diode 43, which ensures that the the potential lying on the terminal 44 is in a positive direction with respect to the potential the terminal 42 changes in the time in which the core 36 through the control winding 39 is reset without the amplifier 31 being turned on. The diode 43 enables a rapid derivation of the over when resetting the core 36 of the winding 41 generated signal. As a result, the amplifier is also used in this version 31 turned off immediately after it has carried out its control. With the Arrangement of a non-linear impedance element and one after the input of the amplifier leading feedback circuit, a control circuit was created which only works during the actual control process. Such an arrangement is a burden the amplifier less, prevents damage or destruction of the amplifier, if the load should fail, for example, and prevents unnecessary heating when driving the load after the actual control process has been carried out became.

Claims

PATENT CLAIM: Protection circuit for amplifier transistors in control stages for the remagnetization of a non-linear load containing a magnetizable core, characterized in that in the output circuit (16) of the control stage (amplifier transistor 12) in series with the non-linear load (magnetic cores 11), second non-linear element (magnetic core 18) is arranged, the impedance of which is changed when driving the first element (11) to the value corresponding to the saturation, whereby a signal (via the winding 23) is generated, which is fed back to the input of the control stage (12) blocks this, so that destruction of the idle amplifier transistor (12) is prevented.