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Monostabile oder astabile Transistor-Multivibratorschaltung Die Erfindung
betrifft eine transistorisierte Multivibratorschaltung mit zwei Betriebszuständen
und RC-Gliedern, deren Zeitkonstanten das Eintreten zumindest eines der beiden Betriebszustände
bestimmen. Es handelt sich also um eine monostabile oder astabile Multivibratorschaltung.
Beide Arten von Multivibratorschaltungen haben das Merkmal, daß sie nach einer durch
die Dimensionierung der RC-Glieder bestimmten Zeit vom Arbeitszustand wieder in
den Ausgangszustand zurückkippen. Sie unterscheiden sich dadurch, daß das Kippen
vom Ausgangszustand in den Arbeitszustand bei der monostabilen Multivibratorschaltung
durch äußere Impulse und bei der astabilen Multivibratorschaltung durch die Dimensionierung
der Schaltung selbst ausgelöst wird.
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Verwendet man zum Aufbau der Multivibratorschaltung Transistoren,
so entsteht dadurch eine Schwierigkeit, daß Transistoren verhältnismäßig kleine
Arbeitswiderstände erfordern und es daher in der Regel sehr schwierig ist, RC-Glieder
mit großen Zeitkonstanten bei bekannten Multivibratorschaltungen zu verifizieren.
Da die Größe der Widerstände begrenzt ist, muß man die Kapazitätswerte der RC-Schaltung
entsprechend groß wählen, was insofern auf Schwierigkeiten stößt, als Elektrolytkondensatoren
im Hinblick auf ihre Toleranzen und die Notwendigkeit der Aufladung mit Spannungen
wechselnder Polarität in der Regel nicht eingesetzt werden können.
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In der deutschen Auslegeschrift 1173 937 wird eine Lösung für
das der Erfindung zugrunde liegende Problem vorgeschlagen, die darin besteht, eine
bistabile Anordnung zu verwenden, bei der das die Kippzeit bestimmende Glied nach
Ablauf einer bestimmten Zeit einen Impuls abgibt, der die an sich bistabile Anordnung
wieder in die Ausgangslage zurückstellt und damit aus der bistabilen eine monostabile
Multivibratorschaltung macht. Beim Bekannten ist auch das zeitbestimmende Glied
gleichstrommäßig von der Multivibratorschaltung getrennt. Damit werden die Eigenschaften
der Multivibratorschaltung vom zeitbestimmenden Glied unabhängig. Es kann jedoch
als zeitbestimmendes Glied kein einfaches RC-Glied verwendet werden, weil dieses
nicht die Eigenschaften hat, nach Ablauf einer bestimmten Zeit einen Impuls abzugeben.
Das zeitbestimmende RC-Glied muß deshalb beim Bekannten durch eine Triggerschaltung
ergänzt werden.
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In der deutschen Auslegeschrift 1155 480 wird ein monostabiler
oder astabiler Multivibrator mit Transistoren beschrieben, bei dem der ungünstige
Einfluß des Widerstandes eines zeitbestimmenden RC-Gliedes mit Hilfe einer Schaltung
ausgeglichen wird, die aus zwei Dioden, einen zusätzlichen Transistor und eine Parallelschaltung
eines Widerstandes mit einem Kondensator besteht. Der Transistor kann entfallen,
wenn an seiner Stelle eine besondere Hilfsspannungsquelle eingesetzt wird.
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Demgegenüber soll die Schaltung nach der Erfindung mit möglichst wenig
und möglichst einfachen Schaltelementen zur Erzielung des gleichen Ergebnisses auskommen.
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Die gestellte Aufgabe wird bei einer monostabilen oder astabilen Transistor-Multivibratorschaltung
mit RC-Zeitkonstantengliedern, die das Eintreten zumindest eines der beiden instabilen
oder stabilen Betriebszustände bestimmen und bei denen die Widerstände der RC-Glieder
außerhalb der Stromkreise für die Basisströme der Transistoren liegen, gemäß der
Erfindung dadurch erreicht, daß die Multivibratorschaltung, wie an sich bekannt,
je einen Transistor vom pnp- und vom npn-Typ enthält, von denen der pnp-Transistor
mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke über einen Kollektorwiderstand an der Spannungsquelle
liegt, an dem über eine den Kondensator eines RC-Gliedes enthaltende Verbindung
die Basisspannung für den npn-Transistor abgegriffen wird, dessen Emitter mit der
Spannungsquelle und dessen Kollektor mit der Basis des pnp-Transistors, gegebenenfalls
über Widerstände, in Verbindung steht, und daß der Widerstand des RC-Gliedes zwischen
die Basis des npn-Transistors und die Spannungsquelle, vorzugsweise über einen Spannungsteiler,
geschaltet ist.
Neben einem zusätzlichen Widerstand sind für die
astabile Schaltung allenfalls noch zwei Spannungsteilerwiderstände notwendig, um
die Widerstände der Zeitkonstantenglieder keinen Einfluß auf die Basisstromkreise
der Transistoren machen zu lassen.
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Bei der bevorzugten Ausführungsforin der Erfindung sind die Widerstände
der RC-Glieder mit ihrem dem zugeordneten Kondensator abgewandten Anschluß mit derjenigen
Spannungsquelle verbunden, mit der auch der zugeordnete Kondensator in Verbindung
steht. Bei diesem Ausführungsbeispiel schließt sich der Stromkreis für die Kondensatorenentladung
also über den Widerstand des jeweiligen RC-Gliedes und zumindest eine Klemme der
Spannungsquelle.
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Zur Erzielung großer Zeiten für das Verweilen der Multivibratorschaltung
in dem einen oder anderen Betriebszustand ist es vorteilhaft, die Widerstände der
RC-Glieder nicht unmittelbar, sondern über einen Spannungsteiler mit der Spannungsquelle
zu verbinden, der dafür sorgt, daß die Widerstände eine geeignete Vorspannung erhalten.
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Während die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele sich sowohl
auf den Fall einer monostabilen als auch auf denjenigen einer astabilen Multivibratorschaltung
anwenden lassen, erfordert eine monostabile Multivibratorschaltung schon im Hinblick
auf die Zuführung von Steuerimpulsen zusätzliche Schaltungsmaßnahmen. Ausführungsbeispiele
hierfür werden im folgenden angegeben: Eine bevorzugte Ausbildung der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung für den Fall einer monostabilen Multivibratorschaltung zeichnet
sich dadurch aus, daß parallel zu dem im Basisstromkreis liegenden Kondensator die
Reihenschaltung eines Basiswiderstandes und eines derart gepolten Schaltungselements
mit gerichteter Stromdurchlässigkeit, beispielsweise einer Diode, liegt, daß eine
unerwünschte Entladung des Kondensators über den Basiswiderstand verhindert ist.
Während also im Fall einer astabilen Multivibratorschaltung die Verbindung zwischen
Basis des npn-Transistors und Kollektor des pnp-Transistors über den Kondensator
des RC-Gliedes erfolgte und demgemäß an die Basis des npn-Transistors Steuerimpulse
gelangten, enthält die entsprechende Verbindung bei der monostabilen Multivibratorschaltung
parallel zu dem Kondensator des RC-Gliedes noch die Reihenschaltung eines Widerstandes
und einer Diode, d. h. einen gleichstromleitenden Zweig. Die geeignet gepolte
Diode gewährleistet dabei die erforderliche Trennung zwischen dem Basisstrom des
npn-Transistors einerseits und dem Entladestrom des Kondensators des RC-Gliedes
andererseits.
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Die Basis des pnp-Transistors steht zweckmäßigerweise über Dioden
und Kondensatoren mit einem Steuerimpulsgeber in Verbindung Um den Eingang für die
Steuerimpulse während des quasistabilen Zustandes der monostabilen Multivibratorschaltung
zu sperren, können die Dioden auf ihrer einen Seite mit der Basis und auf ihrer
anderen Seite über einen Widerstand mit dem Kollektor des pnp-Transistors verbunden
sein. Dieser Widerstand besorgt die Sperrung des Eingangs für die Steuerimpulse
während des quasistabilen Zustandes durch geeignete Vorspannung der Diode.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand des in der Figur dargestellten
Schaltungsbeispiels für eine monostabile Multivibratorschaltung beschrieben. Durch
Weglassen der Schaltungselemente C 1, D 1,
d. h. der Zuführungsleitung
für die vom Eingang B kommenden Steuerimpulse, sowie des Widerstandes
R 4 und der Diode D 2, d. h. des parallel zum Kondensator
C2 des RC-Gliedes liegenden Zweiges, erhält man aus der figürlich dargestellten
Schaltungsanordnung die bei der Erfindung für eine astabile Multivibratorschaltung
bevorzugt verwendete Schaltungsanordnung.
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Das figürlich dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält
die beiden Transistoren Tl und T2, von denen der erstgenannte vom pnp-Typ, dagegen
der zuletzt genannte vom npn-Typ ist. Der Transistor Tl liegt mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke
an der im rechten Teil der Figur angedeuteten Spannungsquelle, während der Transistor
T2 mit seinem Emitter über den Widerstand R 5 an dem negativen Pol
der Spannungsquelle, dagegen mit seinem Kollektor über den Widerstand R
8 an der Basis des Transistors Tl liegt, die wiederum über den Widerstand
R 3 an dem positiven Pol der Spannungsquelle liegt. Am Kollektorwiderstand
R 1 wird die Basisspannung für den Transistor T2 abgegriffen. Dieser Abgriff
geschieht über die Parallelschaltung des Kondensators C2 des RC-Gliedes
C2, R6 mit der Reihenschaltung des Widerstandes R4 und der Diode
D 2. Die Diode D 2, an deren Stelle auch irgendein anderes gleichrichtendes
Element Verwendung finden kann, dient dazu, eine unerwünschte Entladung des Kondensators
C2 über den Widerstand R4, der den Basiswiderstand des Transistors T2 darstellt,
zu verhindern. Damit ist sichergestellt, daß für den Basiswiderstand des Transistors
T2 einerseits und den Widerstand des RC-GliedseC2, R6 andererseits getrennte Widerstände
verwendet sind, so daß diese einzelnen Widerstände allein im Hinblick auf die von
ihnen im Rahmen der Schaltungsanordnung jeweils zu lösende Aufgabe dimensioniert
werden können. Man wird also den Widerstand R4 als Basiswiderstand entsprechend
den Erfordernissen des jeweils verwendeten Transistors T2 auslegen, während der
Widerstand R6 im Hinblick auf die gewünschte Zeitkonstante dimensioniert werden
kann.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist im stabilen Betriebszustand
der Schaltung der Transistor Tl leitend, so daß an seinem Kollektorwiderstand Rl
eine Basisvorspannung für den Transistor T2 abgegriffen wird. Da diese Basisvorspannung
nahe bei Null liegt, fließt über den Widerstand R4 und die Diode D2 ein Basisstrom
in den Transistor T2. Das wiederum hat zur Folge, daß über den Transistor T2 und
den Widerstand R8 in seiner Kollektorleitung ein Basisstrom in den Transistor Tl
fließt, so daß der beschriebene Zustand stabil erhalten bleibt.
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Wird nun auf die Klemme B ein Sperrimpuls von außen gegeben, so gelangt
dieser über den Kondensator Cl und die Diode Dl auf die Basis des
Transistors Tl. Der Kollektorstrom des Transistors Tl verschwindet, das Potential
für die Basis des Transistors T2, d. h. das Potential am Verbindungspunkt
zwischen Kollektor des Transistors Tl und Kollektorwiderstand R 1, nimmt
zumindest ungefähr den Wert der negativen Spannung der Spannungsquelle an, und auch
der Transistor T2 wird gesperrt. Wiederum unterstützt der Zustand des Transistors
T2 den ihn verursachenden Betriebszustand des Transistors
Tl. Da
nämlich der Transistor T2 nunmehr gesperrt ist, erhält die Basis des Transistors
Tl eine positive Vorspannung über den Widerstand R 3, wodurch ihre Sperrung
unterstützt wird.
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Dieser quasistabile Betriebszustand der monostabilen Multivibratorschaltung
bleibt so lange erhalten, bis der Kondensator C2 sich so weit entladen hat,
daß der Transistor T2 wieder leitend werden kann. Hierzu ist eine Umladung des Kondensators
C2 erforderlich, dessen einer, in der Figur linker Belag in diesem Betriebszustand
der Schaltung mit der negativen Klemme der Spannungsquelle verbunden ist. Diese
Umladung geschieht über den Widerstand R 6,
der, da er nicht im Basisstromkreis
eines der beiden Transistoren liegt, im Hinblick auf die jeweils erforderliche Zeitkonstante
beliebig dimensioniert werden kann. Die Verweilzeit der monostabilen Multivibratorschaltung
in dem quasistabilen Betriebszustand ist also allein durch die Dimensionierung der
Schaltungsglieder C2 und R6 sowie die Höhe der Spannung zwischen der negativen
Klemme der Spannungsquelle einerseits und dem Anschluß A des Widerstandes
R 6 andererseits bestimmt. Zwecks Erzielung großer Verweilzeit in diesem
Betriebszustand ist es daher zweckmäßig, wie in dem Ausführungsbeispiel figürlich
dargestellt, den Anschluß A des Widerstandes R 6 des RC-Gliedes nicht
direkt mit der Nullklemme der Spannungsquelle, sondern über den Spannungsteiler
R 7, R 9 mit der Spannungsquelle zu verbinden. Dann liegt die Klemme
A an einer Spannung, die etwas positiver als die Spannung der negativen Klemme
der Spannungsquelle ist.
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Damit die Dauer des quasistabilen Betriebszustandes der Schaltung
tatsächlich nur von den beiden eben beschriebenen Faktoren abhängt, sind in der
Schaltung ferner die Widerstände R 2 und R 5 vorgesehen. Durch den
Widerstand R2, der die eine Klemme der Diode D 1 in der Zuführungsleitung
für die Steuerimpulse mit dem Kollektor des Transistors TI verbindet, wird der Eingang
B für die Steuerimpulse während der Dauer des quasistabilen Zustandes gesperrt.
Der Widerstand R 5 im Emitterstromkreis des Transistors T2 dient zur
Verhinderung eines unbeabsichtigten Kippens der Schaltung bei Schwankungen der Versorgungsspannung.
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Sobald nun durch Entladung des Kondensators C 2 über
den Widerstand R 6 die Basisspannung des Transistors T2 wieder derart positiv
geworden ist, daß dieser Transistor leitend wird, bestimmt er über den Kollektorwiderstand
R 8 das Basispotential und den Basisstrom des Transistors TI., und der ursprüngliche
- stabile - Zustand der monostabilen Multivibratorschaltuna ist wieder
erreicht.
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Wie bereits erwähnt, läßt sich das figürlich dargestellte Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen monostabilen Multivibratorschaltung in einfacher Weise in
eine Schaltungsanordnung für eine astabile Multivibratorschaltung umwandeln, indem
einfach zwei für das Arbeiten lediglich der monostabilen Multivibratorschaltuno,
erforderliche Kreise entfernt werden. Es handelt sich um den zur Zuführung der Steuerimpulse
und damit verbundene Aufgaben vorgesehenen Kreis mit den Schaltungselementen
C 1,
D1, R2 sowie um den zur Zuführung eines Basisstromes
für den Transistor T2 vorgesehenen Kreis mit den Elementen R 4 und
D 2. Verzichtet man auf die genannten Schaltungselemente, so erhält man eine
astabile Multivibratorschaltung, die ebenfalls den Vorteil aufweist, daß die Zeitkonstante
ihres RC-Gliedes allein im Hinblick auf das gewünschte Arbeiten der Schaltungsanordnung
frei gewählt werden kann. Dieser Vorteil wird sowohl im Fall einer astabilen als
auch im Fall einer monostabilen Multivibratorschaltung dadurch erzielt, daß für
die Basiswiderstände der Transistoren einerseits und die Widerstände der RC-Glieder
andererseits getrennte Schaltungselemente verwendet werden. Zur Erzielung großer
Zeitkonstanten ist es bei der Erfindung also nicht erforderlich, die Kondensatoren
der RC-Glieder in häufig schwieriger Weise groß auszubilden, sondern die Zeitkonstante
kann durch Vergrößern der Widerstände der RC#Glieder vergrößert werden, wobei sich
außerdem die vorteilhafte Möglichkeit ergibt, die nicht mit dem Kondensator in Verbindung
stehende Klemme der Widerstände mit einer geeigneten Spannung zu verbinden.
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Verständlicherweise sind Abweichungen von dem figürlich dargestellten
Ausführungsbeispiel möglich, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Beispielsweise
können Schaltungen mit mehr als einem RC-Glied aufgebaut werden, wobei dann ebenfalls
dafür gesorgt werden kann, daß die Widerstände aller oder eines Teils der RC-Glieder
außerhalb der Basisstromkreise der Transistoren der Multivibratorschaltung liegen
und demgemäß wiederum ihre Dimensionierung nicht durch die erforderlichen Größen
der Arbeitswiderstände der Transistoren begrenzt ist. Der pnp- und der npn-Transistor
können auch ihre Stellungen vertauschen, wenn die Spannungsversorgung und die Dioden
umgepolt werden.