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Astabile oder monostabile Multivibratorschaltung Die Erfindung bezieht
sich auf eine astabile oder monostabile Multivibratorschaltung mit Transistoren
des gleichen Leitfähigkeitstyps zum Schalten elektrischer Stromkreise, z. B. von
Verkehrssignalanlagen.
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Ein astabiler Multivibrator besteht beispielsweise aus zwei verstärkenden
Elementen, deren Eingangsklemmen kreuzweise über Kapazitäten mit ihren Ausgangsklemmen
verbunden sind, wobei jeweils ein Ladewiderstand mit einer festen Betriebsspannung
zum Eingang des verstärkenden Elements angeordnet ist.
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Für die Güte derartiger Multivibratorschaltungen oder auch Kippschaltungen
und insbesondere für deren Verwendung in Verkehrssignalanlagen ist entscheidend
die Stabilität der Schalteigenschaften, und zwar sowohl gegenüber Temperatureinflüssen
als auch bei sehr langen gewünschten Schaltzeiten als auch gegenüber kurzzeitigen
Störimpulsen durch Netzstromstöße und durch magnetische oder elektrische Störfelder.
Bei den bekannten Schaltungen der im Gattungsbegriff angegebenen Art ist es bisher
nicht in befriedigender Weise gelungen, möglichst gleichzeitig alle die genannten
und für die Stabilität erforderlichen Voraussetzungen zu erfüllen, vielmehr blieb
stets wenigstens einer der geschilderten Mängel trotz erheblichem Schaltunsaufwand
bestehen. Insbesondere ist es bei keiner der bekannten Schaltungen möglich gewesen,
die für lange Schaltzeiten, wie sie insbesondere Verkehrssignalanlagen erfordern,
notwendige Vergrößerung der Ladewiderstände ohne eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber
den geschilderten Störeinflüssen vorzunehmen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe besonders einfacher
Schaltungselemente und einer besonderen einfachen Schaltungstechnik die geschilderten
Voraussetzungen für die gewünschte Stabilität der Schalteigenschaften zu erfüllen
und zugleich sämtliche geschilderten störenden Einflüsse praktisch auszuschalten.
Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß zur Festlegung der Spannung,
auf die die die Schaltzeit bestimmende Kapazität jedes Zeitkreises der Multivibratorschaltung
aufgeladen wird, diese Kapazität durch spannungsbegrenzende Elemente überbrückt
ist. Durch diese Maßnahme werden bestimmte Besonderheiten in der Wirkungsweise der
Multivibratorschaltung erzielt, die ganz entscheidende Vorteile mit sich bringen.
Zweckmäßig sind in weiterer Ausbildung der Erfindung die spannungsbegrenzenden Elemente
dabei als Zenerdioden ausgebildet und liegt ihre Spannung 10 bis 30% unter
der Arbeitsspannung. Im folgenden werden die erzielbaren Vorteile näher erläutert:
Zunächst wird die Beeinflussung der Schaltzeit durch den Kollektorreststrom, z.
B. infolge einer Erwärmung, praktisch ausgeschaltet, da die höchstmögliche Ladespannung
der überbrückten Kapazität des Zeitkreises durch die Begrenzungsspannung der spannungsbegrenzenden
Elemente, nämlich durch die Zenerspannung, genau bestimmt ist. Das überbrückende
spannungsbegrenzende Schaltelement, nämlich die Zenerdiode, schafft ferner einen
zusätzlichen Stromweg für den Basis-Emitter-Strom der Transistoren, wenn die vorbestimmte
Ladespannung der Kapazität des Zeitkreises erreicht ist. Die Zenerdiode übernimmt
sozusagen danach den Ladestrom. Dadurch wird einerseits gewährleistet, daß der zugehörige
Transistor in Sättigung betrieben wird, was sehr erwünscht ist, um sein Kollektorpotential
auf einem möglichst geringen Wert zu halten. Andererseits kann der die Schaltzeit,
d. h. die Zeitkonstante des Zeitkreises bestimmende Widerstand wegen der
Stromübernahme durch die Zenerdiode so bemessen werden, daß er allein nicht in der
Lage wäre, einen Strom in die Basis fließen zu lassen, der allein für die Sättigung
ausreichend wäre. Der Ladewiderstand kann daher sehr hochohmig gewählt werden. Insgesamt
wird erreicht, daß der jeweils leitende Transistor mit Sicherheit gesättigt ist.
Die Schaltzeiten der Kippschaltung können daher unter genauer Einhaltung groß gewählt
werden, was die Anwendung-,thöglichkeit der Multivibratorschaltung für 'NTerkehrssignalanlagen
ganz besonders verbessert.
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Ein dritter Vorteil ist in folgendem zu sehen: Der Kollektorwiderstand
des jeweils gesperrten Transistors führt den großen durch die Zenerdiode bzw. das
spannungsbegrenzende Schaltelement fließenden Basisstrom für den leitenden Transistor.
Bei kurzzeitigem Leitendmachen des gesperrten Transistors durch Störimpulse irgendwelcher
Art -übernimmt der an sich gesperrte Transistor einen Teil des durch seinen Kollektorwiderstand
fließenden Stroms. Seine
Kollektorspannung bleibt jedoch erhalten.
Die kurzzeitigen Störünpulsä, haben daher keine Wirkung auf den leitenden Transistor.
Das heißt aber, daß der Schalt-#oder Kippvorgang mit Sicherheit erst dann einsetzen
kann, wenn der Kollektor des bisher gesperrten Transistors den gesamten Strom, der
vorher durch die Zenerdiode geflossen ist, übernommen hat. Damit ist der Einfluß
von irgendwelchen Störimpulsen stark verringert. # Es hat sich bei.den. eingangs
angegebenen Multivibratorschaltungen als zweckmäßig erwiesen, zur Sicherung des
Transistors der Multivibratorschaltung gegen überlastung an der Basis dieses Transistors
eine Strombegrenzung durchzuführen, damit der Einfluß des die Zeitkonstante bestimmenden
Widerstandes auf die Strombelastung des Transistors weitgehend verringert wird,
dabei jedoch insgesamt die Wahl des Widerstandes für die Zeitkonstante nicht einzuschränken.
In - weiterer Ausbildung der Erfindung sollen die geschilderten Vorteile
der Erfindung auch für eine derartige Multivibratorschaltung zur Wirkung gebracht
werden. Dabei wird ausgegangen von einer Multivibratorschaltung der eingangs angegebenen
Art, bei der an jede Transistorbasis ein Strombregrenzer angeschaltet ist, der aus
einem Vorwiderstand und einem spannungsbegrenzenden Element besteht, wobei der Vorwiderstand
zwischen dem Ladewiderstand und der Basis des Transistors eingeschaltet sowie ferner
das spannungsbegrenzende Element vom Verbindungspunkt des Ladewiderstandes mit dem
Vorwiderstand nach dem Emitterpotential des Transistors geschaltet ist. Nach einer
Ausführungsform der Erfindung können die eingangs geschilderten Vorteile der Erfindung
bei einer derartigen Multivibratorschaltung, dadurch erzielt werden, daß der basisseitige
Anschluß des die Kapazität überbrückenden spannungsbegrenzenden Elements an den
Verbindungspunkt zwischen dem spannungsbegrenzenden Element des Strombegrenzers
und dem Vorwiderstand gelegt ist.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind in der Zeichnung einerseits zwei
bekannte Multivibratorschaltungen und andererseits mehrere Ausführungsbeispiele
der Erlmdung dargestellt, die, im folgenden beschrieben werden. In der Zeichnung
zeigt F i g. 1 als Beispiel einer bekannten Ausführung das Schaltbild einer
astabilen Multivibratorschaltung, F i g. 2 als weiteres Beispiel für eine
Ausführungsform eine aus der Schaltung nach F i g. 1 abgeleitete monostabile
Multivibratorschaltung, F i g. 3 das Schaltbild einer grundlegenden Ausführungsform
einer Multivibratorschaltung nach der Erfindung, F i g. 4 das Beispiel einer
Strombegrenzerschaltung für eine Multivibratorschaltung, F i g. 5 das Schaltbild
einer Multivibratorschaltung mit Strombegrenzung unter Anwendung einer weiteren
Ausfüh*#tiesform der Erfindung.
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In dem Beisliiel-#"einer bekannten Multivibratorschaltung nach Fig.".l.
sind die verstärkenden Elemente pnp-Transistoreü-.-Tl und T2 in der sogenannten
Emitterschaltung# RI-und R2 sind die Arbeitswiderstände in den Kollektorzuleitungen,
C 1 und C 2 die Koppelkondensatoren, die,.jeweils vom Kollektor des
einen Transistors zur Basis des anderen Transistors geschaltet sind. R3 und',R4
sind die Ladewiderstände von den Basen der timnsistoren zur negativen BetriebsspanAung.
Im Betrieb ist jeweils ein Transistor leitend und der andere gesperrt. Der leitende
Transistor, z. B. Tl, erhält über R3 seinen Steuerstrom von der Minusbetriebsspannung
in die Basis, während der an die Basis angeschlossene Kondensator C 1 mit
seinem anderen Belag auf Minuspotential liegt, - d. h., dieser Kondensator
Cl ist aufgeladen. Dagegen ist der Transistor T2 gesperrt, weil der an seine
Basis angeschlossene Kondensator C 2 dort eine positive Spannung gegenüber
dem Emitter anlegt. Diese positive Spannung verringert sich im gleichen Maße, wie
der Kondensator C2 über den von der Basis nach Minusbetriebsspannung liegende
WiderstandR4 entladen wird. Sobald die Spannung an der Basis einen genügend negativen
Wert angenommen hat, wird dieser bisher gesperrte Transistor T2 leitend,
wodurch an seinem Kollektorwiderstand R 2 ein Spannungsabfall eintritt, der -über
den Kondensator C 1 das Potential an der Basis des bisher leitenden Transistors
Tl zu positiven Werten hin verschiebt und damit diesen Transistor sperrt. Durch
die Sperrung geht das Kollektorpotential dieses Transistors nach Minusbetriebsspannung
und damit auch der eine Belag des einen Kondensators C2, d. h., der Kondensator
C2 wird wieder aufgeladen. Die zugehörige Basis bekommt einen zusätzlichen
negativen Impuls und steuert den Transistor T 2 durch, wodurch der Umkippvorgang
beschleunigt durchgeführt wird.
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Aus der beschriebenen Arbeitsweise ergibt sich, daß die Zeiten, während
die Schaltung in der einen oder anderen Lage verharrt, ini wesentlichen durch die
Kapazitäten der Kondensatoren CI und C2 und durch die Widerstandswerte der
Ladewiderstände R 3
und R4 bestimmt sind. Zur Einstellung der Zeiten verwendet
man üblicherweise Einstellwiderstände für R3 und R4, da man damit mit geringem Aufwand
große, Zeitbereiche überstreichen kann.
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Bei der vorstehend beschriebenen Schaltung sind die Schaltzeiten noch
verschiedenen Einflüssen unterworfen. So sind die Schaltzeiten z. B. von Schwankungen
der Betriebsspannung abhängig. Außerdem beeinflussen sich die beiden Zeiten gegenseitig
derart, daß bei Änderung des Ladewiderstandes R3 des Transistors TI sich die Schaltzeit
des Transistors T2 mit verändert. Schließlich sind die Zeiten von der Temperatur
der Umgebung abhängig, weil sich mit ihr der Kollektorruhestrom IC 0 und
der Basisruhestrom IB 0 vergrößern.
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Ein monostabiler Multivibrator bekannter Ausführung ist in F i
g. 2 dargestellt. Er entwickelt sich aus der astabilen Schaltung nach F i
g. 1 dadurch, daß z. B. der Koppelkondensator C 2 der astabilen Schaltung
ersetzt wird durch einen Koppelwiderstand R 5 und der Basiswiderstand
R 4 der astabilen Schaltung nicht gegen die negative, sondern gegen die positive
Betriebsspannung geschaltet wird. Außerdem ist es zweckmäßig, dem Emitter z. B.
mittels SpannungsteilerR7, R6 eine negative Vorspannung zu geben. Bei dieser Schaltung
ist im Ruhezustand der Transistor Tl leitend, da an seiner Basis über den Ladewiderstand
R 3 negative Spannung liegt. Der Transistor T2 ist nicht leitend, weil der
Spannungsteiler R 1, R 5, R 4 an der Basis ein gegenüber dem
Emitter positives Potential erzeugt. Die Schaltung kippt in ihren astabilen Zustand
durch Anlegen von Minusspannung an die Basis des Transistors T2, wodurch dieser
Transistor leitend wird, sein Kollektor ein positives Potential annimmt und der
Kondensator Cl
an der Basis des Transistors TI eine positive
Spannung erzeugt, welche den Transistor T 1 sperrt. Dieser Zustand bleibt
so lange aufrechterhalten, bis der KondensatorC1 über den LadewiderstandR3 so weit
aufgeladen ist, daß an der Basis des Transistors Tl wieder eine negative Spannung
ansteht, somit der Transistor T 1 leitend wird und den Transistor T 2 sperrt.
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Zur Frage des Nachteils der Störung der Funktion der Multivibratorschaltung
durch Störimpulse soll angeführt werden, daß z. B. bei einem gebräuchlichen Ladewiderstand
von 2M9 und einer Betriebsspannung von z. B. 8 V in die Basis etwa 4 pA fließen.
Hierbei ist eine induzierte Stromänderung von vielleicht nur 1 gA bereits
in der Lage, den Transistor aus der Sättigung herauszusteuern und den Schaltvorgang
einzuleiten.
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In F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Multivibratorschaltung
nach der Erfindung im elektrischen Schaltbild dargestellt, bei der die geschilderten
Mängel behoben sind.
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Es ist bei dem dargestellten Multivibrator die die Schaltzeit bestimmende
Kapazität CI oder C2 des Zeitkreises zur Festlegung derjenigen Spannung,
auf die sie aufgeladen wird, durch spannungsbegrenzende Elemente, nämlich durch
die Zenerdioden D 4
und D 5 überbrückt. Zweckmäßig liegt
dabei die Spannung der Zenerdioden etwa 10 bis 30% unter der Arbeitsspannung. Die
Polarität der spannungsbegrenzenden Elemente, z. B. der Zenerdioden D 4,
D 5, ist so gewählt, daß die Ladespannung der Kapazitäten
Cl bzw. C2 auf die Begrenzerspannung, z. B. der ZenerdiodenD4 und
D5, begrenzt wird. Beim Aufladen der Kapazitäten Cl bzw.
C2 wird nach Erreichen dieses Spannungsbereiches die jeweils zugehörige Zenerdiode
D 4 oder D 5 leitend; sie führt der mit ihr verbundenen Basis
einen kräftigen Strom zu, der den dazugehörigen Transistor T 1 oder T 2 stark
sättigt.
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F i g. 5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
die Anwendung der Erfindung auf eine Multivibratorschaltung der eingangs angegebenen
Art, bei der gemäß F i g. 4 an jede Transistorbasis ein Strombegrenzer eingeschaltet
ist, der aus einem Vorwiderstand R 8 bzw. R 12 und einem spannungsbegrenzenden
Element" nämlich der Diode D 1 bzw. D 6
besteht, wobei der Vorwiderstand
R 8 bzw. R 12 zwischen dem LadewiderstandR3 bzw. R4 und der Basis des Transistors
Tl bzw. T2 eingeschaltet sowie ferner das spannungsbegrenzende Element
D 1
bzw. D 6 vom Verbindungspunkt des Ladewiderstandes mit dem
Vorwiderstand nach dem Emitterpotential des Transistors geschaltet ist. Gemäß der
Erfindung können die eingangs geschilderten Vorteile bei einer derartigen Multivibratorschaltung
dadurch erzielt werden, daß der basiseigene Anschluß der Zenerdiode D 4 bzw.
D 5 nicht unmittelbar mit der Basis verbunden ist, sondern über den jeweiligen
Vorwiderstand R 8 bzw. R 12 an den Verbindungspunkt zwischen dem Vorwiderstand
R 8 und der Diode D 1 bzw. zwischen dem Vorwiderstand R 12 und der
Diode D 6 gelegt ist. Die Kapazität C 1 ist in diesem Fall in ein
Leitungsstück eingeschaltet, das den Kollektor des Transistors T2 mit einem Punkt
zwischen dem Vorwiderstand R 8 und der Basis des Transistors Tl verbindet.
In ähnlicher Weise ist die Kapazität C2 in ein Leitungsstück eingeschaltet,
das den Kollektor des Transistors Tl mit einem Punkt zwischen dem Vorwiderstand
R 12 und der Basis des Transistors T2 verbindet.