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Bistabiler Kippschalter hoher Schaltfrequenz und hoher Schaltleistung
Die Erfindung betrifft einen bistabilen Kippschalter hoher Schaltfrequenz und hoher
Schaltleistung unter Verwendung eines kreuzgekoppelten bistabilen Multivibrators,
dessen aktive Schaltelemente mit ihren ersten Betriebsstrom ziehenden Elektroden
miteinander verbunden sind und über einen gemeinsamen Vorwiderstand an einer von
Erdpotential unterschiedlichen Potentialquelle liegen und mit ihren zweiten Betriebsstrom
ziehenden Elektroden je über einen Belastungswiderstand mit einer zur ersten Potentialquelle
entgegengesetzten potentialaufweisenden und gegenüber Erdpotential unterschiedlichen
zweiten Potentialquelle verbunden sind.
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Solche Schaltungen lassen sich mit Erfolg als Ersatz bzw. zur Steuerung
von mechanischen Relais einsetzen. Mechanische Relais zeichnen sich im allgemeinen
dadurch aus, daß der durch die Relaiskontakte führende Strom ohne Rückwirkung auf
den Schaltstrom ist. Trotz wesentlicher im Lauf der Zeit erfolgter Verbesserungen
ist aber hiermit wegen der unvermeidlichen mechanischen Trägheit eine obere Grenze
der Schaltgeschwindigkeit nicht zu überschreiten. Ein Ersatz dieser Relais durch
Elektronenröhrenschaltung bringt zwar auch, aber nur in gewissen Grenzen, eine Rückwirkungsfreiheit,
aber einmal ist relativ zum Aufwand der zu schaltende Strom verIaz;lt_ai@r.#äßig
klein und zum anderen lassen sich auch hiermit nicht eine obere Schaltgeschwindigkeit
infolge der unvermeidlichen Elektroden- und Schaltkapazitiaen, die um so höher sind,
je höher der zu schaltende Strome ist, vermeiden. Gasentladungsröhren an Stelle
von Relais besitzen zwar eine nahezu ideale Rückwirkungsfreiheit, dafür ist aber
auch hier die Schaltgeschwindigkeit infolge der erforderlichen Ionisationszeit und
Rekornbinationszeit der Ladungsträger begrenzt, abgesehen vom besonderen Aufwand
zum Löschen.
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Die Tra nsistorentwicklung in den letzten Jahren ergab zwar Transistoren
hoher Schaltgeschwindigkeit und hoher Leistung, aber in gevisser Beziehung schließen
sich beide Forderungen gegenseitig aus, so daß bei primär vom Anwendungszweck her
geforderten sehr hohen Schaltgeschwindigkeiten mir Transistoren relativ geringer
Leistung verwendet werden können, denn Hochleistungstransistoren besitzen z««n@@I<;ufg
relativ hohe Elektrodenkapazitäten, die die Geschwindigkeit nach oben begrenzen.
Werden aber hingegen Transistoren hoher Schaltgeschwindigkeit benutzt, dann müssen
wehen der geringen Schaltleistung eine entsprechende Astzahl von Transistoren parallel
geschaltet werden. Hiermit können zwar an sich die Bedingungen für clie Schaltleistung
und die Schaltgeschwindigkeit erfüllt werden, aber es ergibt sich ein anderer Nachteil,
der die praktische Anwendung einer solchen Schaltung nicht allgemein zuläßt, denn
der von einer vorhergehenden Stufe aufzuwendende Basisstrom ist proportional zur
Anzahl paralleler Ausgangsstufen, so daß ab einer bestimmten Anzahl die Leistungsfähigkeit
der vorhergehenden Stufe nicht mehr ausreichend ist. Der Leistungsverstärker bzw.
Schaltverstärker wäre zwar für die Abgabe einer bestimmten Leistung ausgelegt, aber
der erforderliche Steuerstrom hierfür wäre zu hoch.
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Die Aufgabe Erfindung besteht darin, eine Relaisordnung zu schaffen,
die die Vorteile eines mechanischen Relais mit denen aktiver Schaltelemente miteinander
verbindet, ohne aber die damit verbundenen Nachteile aufzuweisen; d. h. bei einem
Minimum an Steuerleistung soll eine äußerst hohe Schaltleistung erzielt werden.
Bei Verwendung von Transistoren als aktive Schaltelemente sollen darüber hinaus
keine Sättigungseffekte entstehen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Steuereingänge
der aktiven Schaltelemente des bistabilen Multivibrators direkt mit zweiten Betriebsstrom
ziehenden Elektroden jeweils zugeordneter aktiver Steuerschaltelemente verbunden
sind, welche ihrerseits direkt an den zweiten Betriebsstrom ziehenden Elektroden
der aktiven Schaltelemente des bistabilen Multivibrators liegen, daß die ersten
Betriebsstrom ziehenden Elektroden der aktiven Steuerschaltelemente über einen gemeinsamen
weiteren Vorwiderstand an der ersten Potentialquelle liegen
und
daß eine der Steuerelektroden der aktiven Steuerschaltelemente mit einer Signalimpulsquelle
verbunden ist, während die andere Steuerelektrode auf Erdpotential liegt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung werden je nach Bedarf an Schaltleistung
parallel zu den aktiven Schaltelementen des bistabilen Multivibrators weitere aktive
Schaltelemente mit je gemeinsamem Vorwiderstand parallel geschaltet.
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Es ergibt sich ohne weiteres, daß die aktiven Schaltelemente des bistabilen
Multivibrators keine Steuerleistung von der Signalimpulsquelle entnehmen, gleichgültig,
ob nur je eins oder mehrere parallel eingesetzt werden; d. h., mit der erfindungsgemäßen
Schaltung läßt sich bei relativ geringem Aufwand eine hohe Schaltleistung bei hoher
Schaltgeschwindigkeit erzielen, dies allein schon dadurch, daß keinerlei Reaktanzen
zum Aufbau der Schaltung benötigt werden. Da weiterhin bei Verwendung von Transistoren
als aktives Schaltelement, die Elektroden verschiedener Transistoren direkt miteinander
verbunden sind, läßt sich die erfindungsgemäße Schaltung ohne weiteres auch als
integrierte Schaltung aufbauen. Für manche Anwendungszwecke ist es dabei vorteilhaft,
daß an einem Ausgang der direkte Wert und am anderen Ausgang der komplementäre Wert
abgegeben wird.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, die an Hand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe nachstehend aufgeführter
Zeichnungen die Erfindung näher erläutert, und aus den Patentansprüchen. Es zeigt
F i g. 1 eine Grundschaltung eines elektronischen Relais gemäß der Erfindung, F
i g. 2 eine Schaltung eines erfindungsgemäßen elektronischen Relais für höhere Schaltleistung.
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Wie aus dem Schaltschema von F i g.1 hervorgeht, sind die Emitter
der NPN-Transistoren 4 und 6 über den Widerstand 8 mit einer negativen Spannungsquelle
10 verbunden. Der Basiskreis des Transistors 6 ist geerdet, und der Basisleiter
11 des Transistors 4 dient als Eingangsklemme für die Schaltung. Die Kollektoren
der Transistoren 4 und 6 sind über Leiter 12 bzw. 14 und Widerstände 16 bzw. 18
mit einer positiven Spannungsquelle 20 verbunden. Bei der bis hierher beschriebenen
Schaltung handelt es sich um einen bekannten Stromschalter. Wie dieser Stromschalter
arbeitet, erkennt man, wenn man sich vor Augen hält, daß die Transistoren 4 und
6 mehrfache Stromwege für den aus der positiven Spannungsquelle 20 kommenden Strom
bilden und daß, je nachdem, welcher der beiden Transistoren leitend ist, Strom durch
diesen fließt und dessen Ausgangsleiter erregt.
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Ein zweiter Stromschalter, der aus den NPN-Transistoren 22 und 24
besteht, ist zwischen den Leitern 12 und 14 angeordnet. Die Emitter der Transistoren
22 und 24 sind über den Widerstand 26 gemeinsam an eine negative Spannungsquelle
28 angeschlossen. Bezüglich ihrer Kollektorverbindungen entsprechen die Transistoren
22 und 24 zwar den Transistoren 4 und 6, aber ihre Basiskreise sind über Leiter
30 und 32 über Kreuz an Leiter 12 und 14 angeschlossen. Infolge dieser Verbindungen
wird der leitende Zustand des Transistors 22 durch den leitenden Zustand des Transistors
6 gesteuert und der leitende Zustand des Transistors 24 wird durch den leitenden
Zustand des Transistors 4 bestimmt. Die echten und komplementären Ausgangssignale
dieser Schaltung stehen an den Klemmen 34 bzw. 36 zur Verfügung.
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Zum Betreiben der Schaltung wird eine Spannung, die negativer als
die der Quelle 10 ist, normalerweise dem Eingangsleiter 11 zugeführt, wodurch die
Grenzschicht zwischen Emitter und Basis des Transistors 4 in Sperrichtung vorgespannt
und der Transistor nichtleitend gemacht wird. Weil der Transistor 4 nichtleitend
ist, spannt die negative Spannung aus der Quelle 1.1 die Grenzschicht zwischen
Emitter und Basis des Transistors 6 in Durchlaßrichtung vor und läßt diesen Transistor
leitend werden.
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Die dadurch entstehende negative Spannung (-V) am Kollektor des Transistors
6 wird über die Leiter 14 und 32 geleitet und hält den Transistor 22 im nichtleitenden
Zustand. Andererseits ist die Kollektorspannung des Transistors 4, weil dieser nichtleitend
ist, hoch (+V) und hält über die Leiter 12 und 30 den Transistor 24 im leitenden
Zustand. Bei Anliegen der normalen negativen Eingangsspannung an dem Leiter
11 sind also die Transistoren 4 und 22
nichtleitend und die
Transistoren 6 und 24 leitend. In diesem Betriebszustand sendet die positive Quelle
20 Ströme 1E -f-14 zu den Transistoren 6 bzw. 24. Dadurch werden die Spannungen
an den Klemmen 36 bzw. 34 positiv bzw. negativ gemacht.
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Beim Auftreten eines Eingangssignals wird der Eingangsleiter 11 positiv,
wodurch der Transistor 4 leitend und die Emitterspannung des Transistors 6 angehoben
wird. Dadurch wird die Emitter-Basis-Grenzschicht des Transistors 6 in Sperrichtung
vorgespannt und dieser Transistor wird nichtleitend. Die resultierenden negativen
und positiven Spannungsverschiebungen auf den Leitern 12 bzw. 14 werden über die
Leiter 30 und 32 zu den Basen der Transistoren 24 und 22 weitergeleitet.
Daraufhin werden der Transistor 24 nichtleitend und der Transistor 22 leitend. Infolge
des leitenden Zustandes der Transistoren 4 und 22 kann der Strom
14 -f-1.= fließen, und daher fällt die positive (komplementäre) Ausgangsspannung
an Klemme 36 ab. Da die Transistoren 6 und 24 jetzt nicht leiten, fließt kein Strom
im Leiter 14, und die Spannung an der Ausgangsklemme 34 (echt) steigt.
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F i g. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Grundschaltung von
F i g. 1 in der ein dritter Stromschalter zwischen den Ausgangsleitern 12 und 14
angeordnet worden ist, um die Leistungsfähigkeit der Schaltung zu erhöhen. NPN-Transistoren
40 und 42 sind genau wie die Transistoren 22 und 24 angeordnet, und zwar sind sie
über Ausgangsleiter 12 und 14 mit diesen parallel geschaltet. Wenn daher ein Eingangssignal
erscheint, werden die Transistoren 4, 22 und 40 leitend, wodurch sich
die Leistung entsprechend erhöht. Je nach Bedarf können weitere parallele Stromschalter
verwendet werden. Diese Energietreiber erreichen also nicht nur den Arbeitsgeschwindigkeitsvorteil
des Stromschalters, sondern sie benötigen auch relativ kleine Erregerströme für
die Erzeugung großer Ausgangsleistungen. In beiden Schaltungen wird Strom für nur
eine Basis benötigt, um eine volle Ausgangsleistung zu erreichen.