DE1208764B

DE1208764B - Bistable toggle switch with high switching frequency and high switching capacity

Info

Publication number: DE1208764B
Application number: DEJ25947A
Authority: DE
Inventors: James Leo Walsh
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1963-05-31
Filing date: 1964-06-01
Publication date: 1966-01-13

Description

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.Bistable toggle switch with high switching frequency and high switching capacity The invention relates to a bistable toggle switch high switching frequency and high Switching capacity using a cross-coupled bistable multivibrator, its active switching elements with their first operating current drawing electrodes are connected to each other and via a common series resistor to one of Ground potential different potential source lie and with their second operating current pulling electrodes each via a load resistor with one to the first potential source opposing potentials and different from earth potential second potential source are connected.

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.Such circuits can be used successfully as a replacement or for control of mechanical relays. Mechanical relays generally stand out characterized in that the current leading through the relay contacts has no effect is the switching current. Despite significant improvements over time but this is an upper limit because of the inevitable mechanical inertia the switching speed not to be exceeded. A replacement of this relay by Electron tube circuit also brings, but only within certain limits, freedom from feedback, but on the one hand the current to be switched is verIaz; lt_ai@r.#äßig relative to the effort small and on the other hand, this also does not allow an upper switching speed due to the inevitable electrode and switching capacities, which are all the higher, the higher the current to be switched, avoid. Gas discharge tubes in place of relays have an almost ideal freedom from feedback, but there is also here the switching speed due to the required ionization time and The reconnection time of the load carriers is limited, apart from the special effort to delete.

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.The transistor development in recent years has resulted in transistors high switching speed and high power, but close in a certain relationship both requirements are mutually exclusive, so that primarily in terms of the application required very high switching speeds with transistors relatively lower Power can be used, because high-power transistors have z «« n @@ I <; ufg relatively high electrode capacities that limit the speed upwards. If, however, transistors with high switching speed are used, then must The low switching capacity blows a corresponding number of transistors in parallel be switched. This allows the conditions for the switching capacity and the switching speed can be met, but there is another disadvantage, which does not generally allow the practical application of such a circuit, because the base current to be used by a previous stage is proportional to Number of parallel output stages, so that from a certain number the performance the previous stage is no longer sufficient. The power amplifier or Switching amplifiers would be designed to deliver a certain amount of power, but the control current required for this would be too high.

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.The object of the invention is to create a relay arrangement, which combine the advantages of a mechanical relay with those of active switching elements connects, but without having the associated disadvantages; d. H. at a An extremely high switching capacity is to be achieved with a minimum of control capacity. In addition, when using transistors as active switching elements no saturation effects arise.

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.According to the invention the object is achieved in that the control inputs the active switching elements of the bistable multivibrator directly with the second operating current pulling electrodes connected to each associated active control switching elements are, which in turn directly to the second operating current pulling electrodes of the active switching elements of the bistable multivibrator are that the first Operating current drawing electrodes of the active control switching elements via a common further series resistor are connected to the first potential source and that one of the control electrodes of the active control switching elements with a signal pulse source is connected, while the other control electrode is at ground potential.

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.According to an advantageous development, depending on the need for switching capacity additional active ones parallel to the active switching elements of the bistable multivibrator Switching elements connected in parallel with each common series resistor.

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.It follows easily that the active switching elements of the bistable Multivibrators do not draw any control power from the signal pulse source, regardless of whether only one or more are used in parallel; d. i.e., with the inventive Switching can be a high switching capacity with a relatively low outlay Achieve switching speed, if only by the fact that no reactances whatsoever needed to build the circuit. As continued when using transistors as an active switching element, the electrodes of different transistors directly with one another are connected, the circuit according to the invention can easily also be used as build an integrated circuit. For some purposes it is advantageous to that at one output the direct value and at the other output the complementary value is delivered.

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.Further advantages of the invention emerge from the following Description based on exemplary embodiments with the help of the following Drawings the invention explained in more detail, and from the claims. It shows F i g. 1 shows a basic circuit of an electronic relay according to the invention, F i g. 2 shows a circuit of an electronic relay according to the invention for higher switching capacity.

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.As can be seen from the circuit diagram of FIG. 1, the emitters of the NPN transistors 4 and 6 are connected to a negative voltage source 10 via the resistor 8. The base circuit of the transistor 6 is grounded and the base conductor 11 of the transistor 4 serves as an input terminal for the circuit. The collectors of transistors 4 and 6 are connected to a positive voltage source 20 via conductors 12 and 14 and resistors 16 and 18, respectively. The circuit described so far is a known power switch. How this current switch works can be seen if one keeps in mind that the transistors 4 and 6 form multiple current paths for the current coming from the positive voltage source 20 and that, depending on which of the two transistors is conductive, current flows through it and its output conductor excited.

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.A second power switch made up of NPN transistors 22 and 24 exists, is arranged between the conductors 12 and 14. The emitters of the transistors 22 and 24 are jointly connected to a negative voltage source via the resistor 26 28 connected. With regard to their collector connections, the transistors correspond 22 and 24 correspond to transistors 4 and 6, but their base circuits are via conductors 30 and 32 connected crosswise to conductors 12 and 14. As a result of these connections the conductive state of the transistor 22 becomes through the conductive state of the transistor 6 controlled and the conductive state of the transistor 24 is controlled by the conductive State of transistor 4 is determined. The real and complementary output signals this circuit are available at terminals 34 and 36, respectively.

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.To operate the circuit, a voltage which is more negative than that of source 10 is normally applied to input conductor 11, thereby reverse biasing the interface between the emitter and base of transistor 4 and rendering the transistor non-conductive. Because the transistor 4 is non-conductive, the negative voltage from the source 1.1 biases the boundary layer between the emitter and base of the transistor 6 in the forward direction and makes this transistor conductive.

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.The resulting negative voltage (-V) at the collector of the transistor 6 is conducted via the conductors 14 and 32 and keeps the transistor 22 in the non-conductive state. On the other hand, the collector voltage of the transistor 4, because it is non-conductive, is high (+ V) and keeps the transistor 24 in the conductive state via the conductors 12 and 30. When the normal negative input voltage is applied to conductor 11 , transistors 4 and 22 are non-conductive and transistors 6 and 24 are conductive. In this operating state, the positive source 20 sends currents 1E-f-14 to the transistors 6 and 24, respectively. This makes the voltages at the terminals 36 and 34 positive and negative, respectively.

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.When an input signal occurs, the input conductor 11 becomes positive, whereby the transistor 4 is conductive and the emitter voltage of the transistor 6 is raised. As a result, the emitter-base junction of the transistor 6 is biased in the reverse direction and this transistor becomes non-conductive. The resulting negative and positive voltage shifts on conductors 12 and 14, respectively, are passed on via conductors 30 and 32 to the bases of transistors 24 and 22. Thereupon the transistor 24 becomes non-conductive and the transistor 22 becomes conductive. As a result of the conducting state of the transistors 4 and 22 , the current 14 -f-1. = Can flow, and therefore the positive (complementary) output voltage at terminal 36 drops. Since the transistors 6 and 24 are now not conducting, no current flows in the conductor 14 and the voltage at the output terminal 34 (real) rises.

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.F i g. FIG. 2 shows another embodiment of the basic circuit of FIG. 1 in which a third power switch has been placed between output conductors 12 and 14 to increase the performance of the circuit. NPN transistors 40 and 42 are arranged exactly like transistors 22 and 24, namely they are connected in parallel therewith via output conductors 12 and 14. Therefore, when an input signal appears, the transistors 4, 22 and 40 are conductive, whereby the power increases accordingly. Additional parallel current switches can be used as required. These energy drivers not only achieve the operating speed advantage of the current switch, but they also require relatively small excitation currents to generate high output powers. In both circuits, current is only required for one base in order to achieve full output power.

Claims

Claims: 1. Bistable toggle switch with high switching frequency and higher Switching capacity using a cross-coupled bistable multivibrator, its active switching elements with their first operating current pulling Electrodes are connected to one another and via a common series resistor a first potential source different from earth potential and with their second operating current drawing electrodes each with a load resistor a potential opposite to the first potential source and opposite Ground potential different second potential source are connected, characterized in that that the control inputs of the active switching elements of the bistable multivibrator Active electrodes assigned directly to the second operating current drawing electrodes Control switching elements are connected, which in turn directly to the second operating current pulling electrodes of the active switching elements of the bistable multivibrator are located, that the first operating current drawing electrodes of the active control switching elements are connected to the first potential source via a common further series resistor and that one of the control electrodes of the active control switching elements is connected to a signal pulse source is connected, while the other control electrode is at ground potential. z. Bistable Trigger circuit according to Claim 1, characterized in that the emitters both the NPN transistors of the bistable multivibrator serving as active switching elements as well as the emitters of the NPN transistors serving as active control switching elements are each connected to the first potential source via a common series resistor. 3. bistable trigger circuit according to at least one of claims 1 and 2, characterized characterized in that in parallel with the active switching elements of the bistable multivibrator further active control switching elements connected in parallel, each with a common series resistor are. 4. Bistable multivibrator according to Claims 1 to 3, characterized in that that with a load resistance of the second operating current drawing electrodes the output terminal for the direct value and with the other load resistance the output terminal for the complementary value is connected. Considered Publications: German Auslegeschrift No. 1056181.