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Schaltungsanordnung zum Aufbau einer monostabilen Kippstufe (Zeitkippstufe)
aus NAND-Stufen in Festkörperschaltkreistechnik In der kontaktlosen Steuer- und
Regeltechnik werden in zunehmendem Maße als befehlverarbeitende Steuerbausteine
Gatter, und zwar meist NAND-Gatter, in Festkörperschaltkreistechnik verwendet. Diese
sogenannten integrierten Schaltkreise zeichnen sich durch ein außerordentlich geringes
Bauvolumen aus, und es ist möglich, eine Mehrzahl von Gattern in einem gemeinsamen
Gehäuse unterzubringen, welches Flächenabmessungen von 8 X 3 mm und eine Höhe von
etwa 3 mm kaum überschreitet. Es ist einleuchtend, daß ein solcher Baustein nur
eine begrenzte Anzahl von Stromzuführungs- und Steuerleitungsanschlüssen aufweisen
kann. Immerhin ist es gelungen, solchen Kombinationsbausteinen der angegebenen Größenabmessungen
14 bzw. 16 Anschlüsse zuzuordnen. Berücksichtigt man, daß jedes einzelne NAND-Gatter
beliebig viele Eingänge und einen einzigen Ausgang aufweist und daß überdies alle
Gatter eines Bausteins gemeinsam zwei Stromversorgungsanschlüsse fordern, von denen
der eine mit dem positiven, der zweite mit dem negativen Pol der Gleichstromversorgung
verbunden werden muß, so ergibt sich im Hinblick auf die begrenzte Anzahl der zur
Verfügung stehenden Anschlüsse in einem solchen Festkörperschaltkreis, daß darin
jeweils entweder vier NAND-Gatter mit zwei Eingängen, drei NAND-Gatter mit drei
Eingängen, zwei NAND-Gatter mit vier Eingängen oder ein NAND-Gatter mit acht Eingängen
untergebracht werden können.
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Durch Verknüpfen zweier oder mehrerer NAND-Gatter lassen sich - wie
allgemein bekannt - die für die Befehlverarbeitung in der kontaktlosen Steuer- und
Regeltechnik erforderlichen Bausteine und Bausteingruppen aufbauen. So ist es beispielsweise
möglich, durch kreuzweise Rückkopplung zweier NAND-Stufen eine bistabile Kippstufe
aufzubauen. Dagegen bereitet der Aufbau einer monostabilen Kippstufe mit durch Außenbeschaltung
einstellbarer Eigenzeit Schwierigkeiten, weil bei in Festkörperschaltkreistechnik
aufgebauten NAND-Stufengruppen aus den oben erläuterten Gründen zusätzliche Anschlüsse
nicht in dem gewünschten Umfang zur Verfügung stehen. Man hat zwar bereits versucht,
monostabile Kippstufen in Festkörperschaltkreistechnik aufzubauen, hierbei bedeutete
aber das für den 100-msec-Bereich erforderliche Kondensatorzeitglied einen unerwünschten
Aufwand. Im übrigen wird als Zeitglied lediglich ein C-Glied, nicht aber ein RC-Glied
verwendet, so daß eine stetig veränderbare Zeiteinstellung, wie sie meist gefordert
werden muß, nicht möglich ist. Die Erfindung macht es sich deshalb zur Aufgabe,
unter Verwendung von NAND-Gatterverknüpfungen in Festkörperschaltkreistechnik bei
kleinerem Kapazitätsaufwand eine kontinuierliche Zeiteinstellung vermittels eines
Regelwiderstandes, also vermittels eines RC-Gliedes der konventionellen Technik,
zu ermöglichen.
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Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Schaltungsanordnung zum
Aufbau einer monostabilen Kippstufe (Zeitkippstufe) aus NAND-Gattern in Festkörperschaltkreistechnik,
und die Erfindung besteht darin, hierzu zwei zu einer bistabilen Kippstufe verknüpfte
NAND-Gatter mit einem nach-, geschalteten weiteren NAND-Gatter zu kombinieren, dessen
Ausgang über eine RC-Transistor-Zeitkreis-Kombination mit einem der Eingänge der
beiden bistabil verknüpften NAND-Gatter verbunden ist. Bei den über Kreuz rückgekoppelten,
zu einer bistabilen Kippstufe verknüpften NAND-Gattern ist der Ausgang des ersten
Gatters über ein drittes NAND-Gatter und ferner über die RC-Transistor-Zeitkreis-Kombination
mit dem freien Eingang des zweiten NAND-Gatters verbunden, und der freie Eingang
des ersten NAND-Gatters bildet den Stufeneingang, sein Ausgang den Stufenausgang.
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Die RC-Transistor-Zeitkreis-Kombination besteht aus der Reihenschaltung
eines einstellbaren RC-Gliedes, bei dem die freie Kondensatorbelegung an den Ausgang
des dritten NAND-Gatters, der freie Widerstandsanschluß an das Betriebspotential
und die Verbindungsstelle zwischen beiden an die Basis des Transistors angeschlossen
ist, dessen Emitter mit dem Bezugspotential und dessen Kollektor einerseits über
einen Widerstand mit dem Betriebspotential und andererseits mit dem zweiten Eingang
des zweiten NAND-Gatters verbunden ist.
Aus der später erläuterten
Arbeitsweise der Zeitkippstufe läßt sich erkennen, daß das monostabile Kippverhalten
nur dann wirksam wird, wenn das Eingangssignal kürzer als die eingestellte Laufzeit
ist.
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Besteht das Bedürfnis, einen monostabilen Kipper aufzubauen, bei dem
der Eingangsimpuls länger andauern darf als die eingestellte Laufzeit, so ist gemäß
einem weiteren Merkmal der Erfindung dem Stufeneingang eine aus einem weiteren NAND-Gatter
und einer RC-Transistorkombination bestehende Triggerschaltung vorzuschalten. Zum
Aufbau eines solchen Triggers wird der Ausgang des weiteren NAND-Gatters über ein
Reihen-RC-Glied widerstandsseitig mit dem Bezugspotential und die Verbindungsstelle
beider mit dem Emitter eines weiteren Transistors verbunden, dessen Basis auf Bezugspotential
liegt und dessen Kollektor einerseits über einen Widerstand an das Betriebspotential
und andererseits an den freien Eingang des ersten NAND-Gatters angeschlossen ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei an Hand von drei Figuren
nachfolgend näher erläutert: Die F i g. 1 veranschaulicht die Schaltung eines bekannten
NAND-Gatters mit drei NPN-Siliziumplanartransistoren TrI bis Tr3. Das Schaltungssymbol
für ein solches NAND-Gatter veranschaulicht die F i g. 1 b.
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Die NAND-Gatterschaltung nach F i g. 1 a hat zwei Eingänge E 1 und
E2 und einen Ausgang A 1. Den Eingangskreis bildet ein Mehremitter-Transistor Tr0,
der die Funktionen der hier üblichen Eingangsentkopplungsdioden übernimmt; der Gesamtaufbau
entspricht somit einem Undgatter mit zwei Eingängen und nachfolgender Signalumkehr.
Liegt 1-Signal (P-Potential) an beiden Eingängen EI und E2, so sind die Transistoren
Trl und Tr2 durchgesteuert, und der Ausgang A 1 führt 0-Signal. Liegt der Eingang
E1 oder E2 auf 0-Signal (0 V), so sind die Transistoren TrI und Tr2 gesperrt. über
den Transistor Tr3 führt der Ausgang A 1 1-Signal (-i-3 bis -l-5 V).
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Wie die F i g. 2 unter Verwendung des NAND-Symbols nach F i g. 1 b
veranschaulicht, ist es möglich, zwei NAND-Stufen I und Il mit den Eingängen 1,
2 bzw. 4, 5 und den Ausgängen 3 bzw. 6 über Kreuz in der Weise rückzukoppeln, daß
der Ausgang der einen mit einem Eingang der anderen verbunden ist. Bei dieser NAND-Gatterverknüpfung
erhält man eine bistabile Kippstufe, beispielsweise mit dem Setzeingang 1, dem Setzausgang
3, dem Löscheingang 5 und dem Löschausgang 6. Eine solche bistabile Kippstufe aus
NAND-Gattern läßt sich erfindungsgemäß zu einer monostabilen Kippstufe umrüsten,
indem man -- wie die F i g. 2 weiter veranschaulicht - den Ausgang 3 des NAND-Gatters
I mit dem einen Eingang 7 eines weiteren NAND-Gatters III verbindet, dessen zweiter
Eingang 8 umbelegt ist und dessen Ausgang 9 über eine RC-Transistor-Zeitkreis-Kombination
ZK mit dem Eingang 5 des NAND-Gatters II verbunden ist. Die RC-Transistor-Zeitkreis-Kombination
ZK setzt sich zusammen aus einem Kondensator C1, dessen eine Belegung an den Ausgang
9 des NAND-Gatters III angeschlossen ist und dessen zweite Belegung über einen einstellbaren
Widerstand R 1 an P-Potential liegt. Der Verbindungspunkt dieses Reihen-RC-Gliedes
R1, C1 ist an die Basis des Transistors T1 angeschlossen, dessen Emitter auf dem
Bezugspotential M liegt und dessen Kollektor über den Kollektorwiderstand R 2 mit
dem Betriebspotential P verbunden ist. Der Kollektor des Transistors T1 bildet den
Ausgang des RC-Transistor-Schaltkreises ZK, der - wie erläutert wurde -- mit dem
Eingang 5 des NAND-Gatters II verbunden ist. Der Eingang l des NAND-Gatters I bildet
dann den Eingang E, sein Ausgang 3 den Ausgang A der monostabilen Kippstufe.
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Im Ruhezustand der Schaltung möge der Eingang E der monostabilen Kippstufe,
also der Eingang 1 des Gatters I, L-Signal (-I-5 V) und der Ausgang 3 0-Signal führen.
Damit liegt am Gatter III am Eingang 7 0-Signal. Am Ausgang 9 des Gatters 3 steht
somit L-Signal an. Damit liegt der dem Gatterausgang 9 zugewandte Kondensatorbelag
des Kondensators C1 auf positivem Potential, während der andere Kondensatorbelag
auf dem Potential der Sättigungsspannung der Basis-Emitter-Diode des Transistors
TI liegt, dessen Basis über den veränderbaren Widerstand R 1 angesteuert wird. Erfolgt
am Eingang E ein Signalwechsel von L-Signal auf 0-Signal, so wird der Ausgang A
der Kippstufe L-Signal führen, während der Ausgang 9 des Gatters III 0-Signal erhält.
Durch die damit verbundene Umladung des Kondensators C1 erfolgt eine Sperrung des
Transistors T l. Die Folge davon ist, daß nunmehr an den Eingängen 4 und 5 des Gatters
II gleichzeitig L-Signal ansteht, so daß der Ausgang 6 des Gatters 1T 0-Signal führt,
das den Eingang 2 des Gatters I belegt. Schaltet der Eingang 1 des Gatters I, also
der Eingang E, wieder auf L-Signal um, so wird dieser Signalzustand in der bistabilen
Kippstufe mit den NAND-Gattern I und 1I so lange gespeichert, bis der Kondensator
C1 entladen ist und der Transistor T1 wieder durchlässig werden kann. Auf Grund
der nach einer e-Funktion verlaufenden Spannung an der Basis des Transistors T1
steuert dieser somit von L-Signal gegen 0-Signal. Damit wird auch der Ausgang 6
des Gatters II zunächst von 0-Signal gegen L-Signal steuern und den Eingang 2 des
Gatters I beeinflussen. Beim Durchsteuern des Ausgangs 3 des Gatters I setzt über
den Eingang 4 des Gatters 1I die Rückkopplung ein, so daß am Ausgang A der monostabilen
Kippstufe ein Ausgangssignal mit systemgerechter Flankensteilheit entsteht.
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Nach beendeter Laufzeit schaltet der Ausgang 9 des Gatters III wieder
auf L-Signal. Damit wird der Kondensator C 1 über den Innenwiderstand der Gatterausgangsschaltung
und der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T1 wieder aufgeladen.
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Aus dem Funktionsablauf der monostabilen Kippstufe nach F i g. 2 ist
erkennbar, daß das Kippen nur dann entsteht, wenn das Eingangssignal an der Klemme
E kürzer ist als die an dem RC-Glied R 1, C 1 eingestellte Laufzeit. Ist das Eingangssignal
jedoch länger als diese eingestellte Laufzeit, so ist vor den Eingang E der monostabilen
Kippstufe nach F i g. 2 eine Triggerstufe zu schalten, deren Einzelheiten in der
F i g. 3 wiedergegeben sind.
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Liegt im Ruhezustand der Schaltung nach. F i g. 3 am Eingang E', d.
h. am Eingang 10 des NAND-Gatters IV, 0-Signal an (0 V), so ist der Kondensator
C2 über den Widerstand R3 aufgeladen und der Transistor T2, dessen Emitter mit dem
Verbindungspunkt des RC-GliedesR3, C2 verbunden ist, dessen Kollektor einerseits
über den Widerstand R4 an das Betriebspotential P sowie andererseits an
die
Ausgangsklemme A' angeschlossen ist und basisseitig auf M-Potential liegt, gesperrt.
Wechselt am Eingang 10 des Gatters IV, dessen Eingang 11 frei ist, das Signal von
0 auf L, so schaltet sein Ausgang 12 auf 0-Signal, wodurch der nachgeschaltete Kondensator
C2 über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T2 und parallel dazu über den
Widerstand R 3 entladen wird; als Folge davon fließt nunmehr Basisstrom, und der
Transistor T2 wird durchgesteuert.
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Während der Entladezeit des Kondensators C2 (F i g. 3) wird die monostabile
Kippstufe (F i g. 2), deren Eingang E mit dem Ausgang A' der Triggerschaltung nach
F i g. 3 verbunden ist, über den Kollektor des Transistors T2 (F i g. 3) mit 0-Signal
angesteuert und damit die aus den Gattern I und 1I gebildete bistabile Kippstufe
gesetzt. Ist die Laufzeit der monostabilen Kippstufe nach F i g. 2 beendet, so kann
der monostabile Kipper auch noch bei anstehendem L-Signal am Eingang 10 des
Gatters IV wieder in die Ruhelage zurückkippen. Verschwindet das L-Signal am Eingang
10 des Gatters IV und liegt wieder 0-Signal an diesem Eingang an, dann kann
sich der Kondensator C2 (F i g. 3) über den Widerstand R 3 wieder aufladen.
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Da nach den eingangs umrissenen Erläuterungen vier NAND-Gatter mit
je zwei Eingängen in einem einzigen Festkörperbaustein untergebracht werden können,
wird zum Aufbau einer monostabilen Kippstufe der erläuterten Art einschließlich
der gegebenenfalls benötigten Triggerschaltung nach F i g. 3 lediglich eine einzige
NAND-Gatter-Bausteingruppe in Festkörperschaltkreistechnik benötigt, wobei die in
den F i g. 2 und 3 in gestrichelten Rahmen gezeichneten RC-Transistor-Zeitkreis-Kombinationen
ZK (F i g. 2) und TZK (F i g. 3) durch entsprechende Außenbeschaltungen des einzigen
Festkörper-NAND-Bausteins angefügt werden.