-
Monostabile Kippschaltungsanordnung zur Frequenzteilung Die Erfindung
betrifft eine monostabile Kippanordnung zur Frequenzteilung mit einer ,=de, die
zusammen mit einem induktiven und einem ohmschen Widerstand in einem Ring geschaltet
ist.
-
Unter dem Namen »Tunneldioden« sind Halbleiterelemente mit Dynatroncharakteristik
bekanntgeworden, die sich wegen ihrer kürzeren Schaltzeiten und wegen ihrer niedrigen
Speisespannung von beispielsweise 0,5 V vorteilhaft als elektrische Schalter verwenden
lassen. Mit diesen Halbleiterelementen ;können gleichermaßen astabile, monostabile
oder .bistabile Kippstufen aufgebaut werden.
-
Es ist eine Frequenzteilerschaltung bekannt, die mit Tunneldioden
aufgebaut ist. Bei dieser Schaltung wird eine Frequenzteilung dadurch erreicht,
daß nach Anlegen eines Steuerstromes an die Teileranordnung der Ruhearbeitspunkt
erst nach mehreren Schwingungen des Steuerstromes so weit verlagert wird, daß schließlich
der Kippvorgang einsetzt. Zur Verlagerung des Arbeitspunktes wird von dem ',Effekt
Gebrauch gemacht, daß bei Ansteuerung von Elementen mit gekrümmter Kennlinie ein
Richtstrom entsteht. Dieser Richtstrom überlagert auch den durch die Vorspannung
erzeugten Arbeitsruhe-Strom, wodurch der Ruhearbeitspunkt allmählich so weit verschoben
wird, daß dann nach einer gewünschten Anzahl von Schwingungen des Steuerstromes
der Kippvorgang einsetzt. Der Teilungsfaktor ergibt sich dann aus der Anzahl der
Schwingungen, die notwendig sind, um den Kippvorgang einzuleiten. Damit die Umlaufzeit
des Arbeitspunktes auf der Tunneldiodenkennlinie nicht allzusehr in das Teilungsverhältnis
eingeht, ist es daher erforderlich, daß diese Umlaufzeit klein gehalten wird. Das
wird dadurch erreicht, daß die in der Teileranordnung eingeschaltete Induktivität
klein gehalten wird. Eine derartige Bemessung hat jedoch den Nachteil, Saß das Teilungsverhältnis
sehr stark von der jeweiligen Kennlinie der Tunneldioden abhängig ist. Bei Ausfall
einer Tunneldiode und Einbau einer Ersatztunneldiode muß deshalb sehr darauf geachtet
werden, daß der Kennlinienverlauf der Ersatztunneldiode dem Kennlinienverlauf der
vorher eingesetzten Tunneldiode nach Möglichkeit vollkommen entspricht. Ferner ist
diese Schaltungsanordnung gegen Störspannungen sehr stark anfällig, da diese Störspannungen
ebenfalls einen Richteffekt zur Folge haben, wodurch der Ruhearbeitspunkt aus seiner
ursprünglichen Lage verschoben wird, so daß dadurch der Kippvorgang je nach Art
der Störspannung früher oder später einsetzt und das Teilungsverhältnis verändert.
Wegen der großen Empfindlichkeit gegen Störspannung muß deshalb auch bei Kopplung
von mehreren Frequenzteilerstufen auf unbedingte Rückwirkungsfreiheit gesehen werden.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Frequenzteilerschaltung, die insbesondere
für Pulsteilung geeignet ist, zu schaffen.
-
Gemäß der Erfindung wird die Kippschaltungsanordnung dabei so ausgebildet,
daß die Tunneldiode mit einer Gleichstromquelle derart vorgespannt ist, daß ihr
Arbeitspunkt im Ruhezustand noch im stabilen Betriebsbereich liegt und der Kippvorgang
mittels nur eines Impulses einer ihr zugeführten Impulsspannung mit der zu teilenden
Frequenz, die gleich oder ein ganzzahliges Vielfaches der Kippfrequenz ist, auslösbar
ist, so daß eine Pulsspannung mit der geteilten Frequenz, die gleich der Kippfrequenz
ist, entsteht und daß der induktive Widerstand so bemessen ist, daß die Größe der
Induktivität proportional ist der Zeit To, die vergeht, bis der Arbeitspunkt auf
der Kennlinie der Tunneldiode einmal vollständig umgelaufen ist.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Kippschaltung so
ausgebildet sein, daß der induktive Widerstand durch die Sekundärwicklung eines
Eingangsübertragers und die Primärwicklung eines Ausgangsübertragers gebildet ist
und dem Eingangsübertrager die Pulsspannung mit der zu teilenden Frequenz zugeführt
und am Ausgangsübertrager die Pulsspannung mit der geteilten Frequenz abnehmbar
ist. Es ist vorteilhaft, die Induktivität der Sekundärwicklung des Eingangsübertragers
kleiner als die Induktivität der Primärwicklung des Ausgangsübertragers zu bemessen.
-
Die Pulsspannung mit der zu teilenden Frequenz läßt sich auch über
einen Kondensator parallel zur Tunneldiode zuführen, wobei der induktive Widerstand
zugleich
Primärwicklung des Ausgangsübertragers sein kann. Je, nach erforderlichem
Teilerverhältnis lassen sich auch mehrere Kippstufen in Reihe schalten. Ferner ist
es von Vorteil, den Ausgangsübertrager der Vorstufe zugleich als Eingangsübertrager
der nachfolgenden Stufe auszubilden.
-
Die Vorspannung für die Tunneldioden läßt sich bei allen Ausführungsformen
über einen ohmschen Widerstand zuführen. Das Teilungsverhältnis der einzelnen Stufen
kann von Stufe zu Stufe verschieden i sein.
-
Bei Anwendung der Maßnahmen nach der Erfindung erhält man eine besonders
einfache, von der Kurvenform der Eingangsspannung unabhängige Frequenzteilerschaltung;
bei der, verglichen mit bekann- 1 ten Frequenzteilerschaltungen, wesentlich größere
ganzzahlige Teilerverhältnisse erreichbar sind, ohne daß der Teiler unstabil wird.
Von besonderem Vorteil ist ferner, daß durch Änderung der Amplitude der Spannung
mit der zu teilenden Frequenz das Teilungsverhältnis der Pulsteilerschaltungsanordnung
verändert werden kann. Unter Verwendung derzeit bekannter Tunneldibden ist die Speisespannung
dabei kleiner als 0,5 V. Je nach Bedarf läßt sich die Spannung mit der zu teilenden
Frequenz parallel oder in Reihe. zur Tunneldiode zuführen, so daß der Eingangswidestand
in weiten Grenzen veränderbar und eine Anpassung an die jeweilige Vorstufe möglich
ist. - ` Ferner werden bei der Kippschaltungsanordnung nach der Erfindung alle Nachteile
vermieden, die der eingangs beschriebenen Frequenzteilerschaltung anhaften. Das
wird unter anderem dadurch erreicht, daß der Ruhearbeitspunkt auf die Tunneldiodenkennlinie
so gelegt ist, daß bereits beim ersten auftretenden Steuerimpuls ein Umkippen der
Anordnung erreicht wird und daß ferner der induktive Widerstand der Kippschaltungsanordnung
so bemessen ist, daß die Größe der Induktivität proportional ist der Zeit To, die
vergeht, bis der Arbeitspunkt auf der Kennlinie der Tunneldiode einmal vollständig
umgelaufen ist. Der Teilungsfaktor ist dann im wesentlichen gegeben durch die Zeit,
die vergeht, bis der vollständige Kippvorgang beendet ist. Die Verschiedenheit der
Diodenkennlinien untereinander spielt durch diese Bemessungsweise keine Rolle mehr,
so daß auf eine Auswahl entsprechender Tunneldioden nicht mehr geachtet zu werden
braucht. Auch auftretende Störspannungen beeinflussen das Teilungsverhältnis nicht,
da bereits mit dem ersten Steuerimpuls ein Umkippen der Kippschaltungsanordnung
erreicht wird. Da nunmehr auch bei mehrstufigen Frequenzteilern die Rückwirkung
der nachgeschalteten auf die vorgeschaltete Stufe nicht mehr von Bedeutung ist,
kann der Teileraufbau wesentlich einfacher vorgenommen werden als der Teileraufbau
bei der bekannten Frequenzteileranordnung, da zur Entkopplung nun nicht mehr aktive
Bauelemente, wie Dioden und Transistoren, verwendet werden müssen, sondern es ist
ausreichend, wenn die Kopplung der einzelnen Teilerstufen mit Übertragern vorgenommen
wird. Da man bei Übertragern den Frequenzgang durch geeignete Bemessung günstig
wählen kann, entfällt auch der bei der bekannten Schaltung genannte Nachteil, daß
nämlich bei Kopplung der Teilerstufen mit Transistoren darauf geachtet werden muß,
daß die Transistoren frequenzmäßig nicht überfordert werden. An Hand der schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiele der F i g. 1, 4 und 5 und der Diagramme der F
i g. 2 und 3 soll die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigt F i g. 1 eine
monostabile Kippschaltung unter Verwendung einer Tunneldiode, F i g. 2 die Strom-Spannungs-Charakteristik
der Tunneldiode mit dem durch die Vorspannung festgelegten Arbeitspunkt im Ruhezustand,
F i g. 3. die Kurvenform der Kippschaltung, F i g. 4 einen mehrstufigen induktiv
gekoppelten Frequenzteiler, F i g. 5 einen mehrstufigen kapazitiv gekoppelten Frequenzteiler.
-
Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 ist die Tunneldiode 1 in
Reihe mit der Induktivität 2, dem ohmschen Widerstand 3 und der Gleichspannungsquelle
4 geschaltet. Die Spannung der Gleichspannungsquelle 4 sowie der Widerstand 3 sind
so bemessen, daß der Arbeitspunkt der Tunneldiode im Ruhezustand unmittelbar vor
dem Kippunkt liegt. Wird durch einen in den Stromkreis eingekoppelten Impuls die
an der Tunneldiode liegende Spannung kurzzeitig erhöht, so wird der Kippvorgang
eingeleitet.
-
Das Diagramm nach F i g. 2 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie 42
einer in Durchlaßrichtung geschalteten Tunneldiode und die Strom-Spannungs-Kennlinie
43 der Versorgungsstromquelle. Der Schnittpunkt beider Kennlinien ergibt zugleich
den Arbeitspunkt So der Tunneldiode im Ruhezustand. Bedingt durch die in F i g.
1 gezeigte Induktivität 2, wächst die an der Tunneldiode 1 liegende Spannung an.
Sie erreicht das Maximum bei dem Punkt S1, und von da springt der Arbeitspunkt wegen
der folgenden fallenden Kennlinie zum Punkt S2 der Strom-Spannungs-Kennlinie der
Tunneldiode 1. Auf Grund des monostabilen Charakters der Schaltungsanordnung wandert
der Arbeitspunkt auf der Kennlinie abwärts bis zum Minimum S3, und von da tritt
wieder ein Sprung des Arbeitspunktes zum Punkt S4 am ansteigenden Ast der Kennlinie
auf. Schließlich stellt sich wieder der stabile Arbeitspunkt So ein, und der Kippvorgang
ist beendet. Die für den Weg vom Punkt S1 über die Punkte S2, S3, S4 und zum Punkt
So benötigte Zeit To ist der Größe der Induktivität 2 proportional.
-
Beim Diagramm nach F i g. 3 ist die bei einmaliger Auslösung des Kippvorgangs
entstehende Ausgangsspannung U als Funktion der Zeit aufgetragen. Werden in Reihe
mit der Tunneldiode Pulse in den Ring eingekoppelt, so sind diese Pulse in der Lage,
die monostabile Kippstufe zu synchronisieren. Wird beispielsweise die Zeit zwischen
zwei Impulsen mit T1 bezeichnet, und ist T1 To, so wird die Kippschaltung durch
jeden dritten Impuls angestoßen. Die Kippfrequenz ist in diesem Fall ein Drittel
der Pulsfolgefrequenz. Das ganzzahlige Teilerverhältnis ist nach oben hin bezüglich
seiner Größe nur durch die Streuung in den Eigenschaften der Bauelemente begrenzt.
Ist keine Streuung vorhanden bzw. die Streuung gering, dann sind beliebig große
ganzzahlige Teilerverhältnisse möglich.
-
Der Frequenzteiler nach F i g. 4 ist dreistufig. Die erste Stufe des
Teilers besteht aus einer Ringschaltung von Tunneldiode 5 mit der Primärwicklung
6 des Ausgangsübertragers 7 sowie dem ohmschen Widerstand 8 und der Sekundärwicklung
9 des
Eingangsübertragers 10. Die beiden folgenden Stufen mit den
Tunneldioden 18 bzw. 24, den Ausgangsübertragern 21 bzw. 27 und den ohmschen Widerständen
22 bzw. 28 gleichen in ihrem Aufbau der ersten Stufe. Die Reihenschaltung der Stufen
erfolgt dabei so, daß der jeweilige Ausgangsübertrager der Vorstufe zugleich Eingangsübertrager
der nachfolgenden Stufe ist. Die Zuführung der Vorspannungen für die Tunneldioden
5, 18 und 24 erfolgt über ohmsche Widerstände 12, 23 und 29, deren
eines Ende jeweils an den Verbindungspunkt der jeweiligen Primärwicklung des Ausgangsübertragers
mit dem ohmschen Widerstand der jeweiligen Stufe verbunden und dessen anderes Ende
an den positiven Pol der Versorgungsspannungsquelle 11 geführt ist. Der negative
Pol der Batterie'11 ist mit der Basisleitung der Teileranordnung verbunden. Die
ohmschen Widerstände 8 und 12 sowie die Spannung der Batterie 11 sind so bemessen,
daß ein monostabiler Betrieb der ersten Stufe möglich ist. Wird nun den Eingangsklemmen
13 als Pulsfolgefrequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Kippfrequenz der ersten
Stufe zugeführt, so wird dadurch auch entsprechend dem gewählten Teilerverhältnis
die erste Kippstufe periodisch angestoßen. Die von der ersten Stufe ausgeführten
Kippschwingungen gelangen über die Sekundärwicklung 14 des Ausgangsübertragers
7 der ersten Stufe zur zweiten Stufe. Da die Kippfrequenz der ersten Stufe
wiederum ein Vielfaches der Kippfrequenz der zweiten Stufe und die Kippfrequenz
der zweiten Stufe ein Vielfaches der Kippfrequenz der dritten Stufe ist, beginnen
die einzelnen Kippstufen durch die jeweiligen vorhergehenden Kippstufen angeregt
anzuschwingen, und an der Sekundärwicklung des Ausgangsübertragers 27 der dritten
Stufe erhält man schließlich die Spannung mit der gewünschten geteilten Frequenz,
die gleich der Kippfrequenz der dritten Stufe ist. Besitzt die Wicklung 9 des Eingangsübertragers
10 der ersten Stufe eine wesentlich kleinere Windungszahl als die Primärwicklung
6 des Ausgangsübertragers 7 dieser Stufe, so fällt die an der Tunneldiode liegende
Wechselspannung zum überwiegenden Teil an der Primärwicklung 6 des Übertragers 7
ab. Gibt man weiterhin der Sekundärwicklung 14 des Ausgangsübertragers eine
wesentlich kleinere Windungszahl als seiner Primärwicklung 6, so wird die an der
Primärwicklung 6 liegende Spannung zur Sekundärwicklung 14 herab transformiert.
Durch eine solche Bemessung des Ausgangsübertragers 7 bzw. der Ausgangsübertrager
21 und 27 wird erreicht, daß die den Klemmen 13 zugeführten Pulse nur abgeschwächt
zur zweiten Stufe gelangen und diese nicht zu Schwingungen anstoßen können. Erst
die entstehende Kippfrequenz der ersten Stufe bewirkt dann auf Grund ihrer größeren
Amplitude das Anschwingen der zweiten Stufe.
-
Eine andere Ausführungsform zeigt F i g. 5. Hier erfolgt die Aussteuerung
der einzelnen Stufen des Teilers über die differenzierenden Kondensatoren 15, 16
und 17. Die in der Schaltungsanordnung nach F i g. 4 erforderlichen Eingangsübertrager
der drei Stufen entfallen. Die Tunneldioden 30 und 33 sind wieder mit den Primärwicklungen
39 bzw. 36, den Ausgangsübertragern 41 bzw. 38 und mit jeweils einem ohmschen Widerstand
31 bzw. 34 in einem Ring geschaltet. Die Einspeisung der Vorspannung über die Widerstände
32 und 35 gleicht der Art der Einspeisung nach F i g. 4. Die Schaltungsanordnung
nach F i g. 5 hat den Vorteil, daß die Steuerspannung direkt und ohne Zwischenschaltung
einer Übertragerwicklung an die Tunneldiode der jeweiligen Stufe gelangt.