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Monostabile Multivibratorschaltung Die Erfindung betrifft eine monostabile
Multivibratorschaltung zur Erzeugung von Impulsen mit von Betriebsspannungsabweichungen
unabhängiger Spannungszeitfläche.
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Im allgemeinen kann die Betriebsspannung von Stromversorgungseinrichtungen
stark schwanken; so kann beispielsweise bei Fornsprechanlagen ein Schwankungsbereich
von ± 20 lio des Nennwertes der Betriebsspannung zugelassen sein. Dieser
Schwankungsbereich ist für manche Verbraucher jedoch nicht zulässig, z. B. dann
nicht, wenn mit Remanenz haltende Relais oder Elektromagnete betrieben werden sollen.
Diese benötigen einen innerhalb gewisser Grenzen konstanten Magnetfluß zum An- und
Ab-
werfen, damit durch die Summier-ung von Magnetflußabweichungen, die während
der aufeinanderfolgenden Relaisbetätigungen entstehen, keine Fehlfunktionen erfolgen.
Wenn nämlich ein Relais nach einmaliger Betätigung eine gewisse Remanenz in der
Gegenmagnetisierungsrichtung beibehält und die zum Anwerfen des Relais benutzte
Spannung zur Erreichung der Sättigung in Ansprechrichtung zu gering ist, dann steigert
jeder Abwerfvorgang die, Remanenz so lange, bis das Relais schließlich durch die
Gegenmagnetisierung in fehlerhafter Weise zum Anzug kommt.
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Ein konstanter Magnetfluß ist durch Konstanthaltung der Betriebsspannung
und der Impulsdauer zu erreichen. Der Aufwand dafür ist erheblich.
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Die Erfindung beschreitet einen anderen Weg. Sie kommt ohne die üblichen
geregelten Spannungskonstanthalter aus und gestattet den Ausgleich beliebiger Schwankungen
der Impulsamplitude durch eiltgegengesetzt gerichtete Änderungen der Dauer der Impulse,
die auf die Relais oder die Elektromagnete einwirken, mittels eines monostabilen
Multivibrators. An sich sind monostabile Kippschaltungen mit zwei Transistoren bekannt.
So ist z. B. eine derartige Schaltung in der deutschen Auslegeschrift
1080 142 beschrieben; diese hat jedoch eine andere Aufgabe, nämlich die Kippschaltung
vor dem Kippen durch Betriebsspannungssch-t,vankunge,n oder Störspannungen zu schützen,
und zeigt auch nicht eine Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Aufgabe der
Erfindung besteht demnach darin, einen monostabilen Multivibrator zur Erzeugung
von Impulsen mit von Betriebsspannungsabweichungen unabhängiger Spannungszeitfläche
zu schaffen. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß lediglich die im
Kollektorkreis desjenigen Transistors, der kollektorseitig mit dem die Impulslänge
bestimmenden Kondensator verbunden ist, abgegriffene Ladespannung für den Energiespeicher
mittels Schaltmitteln konstant gehalten wird und wesentlich kleiner, vorzugsweise
zehnmal kleiner als die Betriebsspannung gewählt ist.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der
Zeichnungen beschrieben, von denen F i g. 1 einen Schaltplan für eine Einrichtung
gemäß der Erfindung, F i g. 2 einen Teilschaltplan zur näheren Erläuterung
der Funktion und F i g. 3 ein Spannungsdiagranirn zeigt.
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Die Schaltun-Sanordnung nach der Erfindung zeigt im wesentlichen eine
aus zwei Transistoren Trl und Tr2 vom PNP-Leitfähigkeitstyp zusammengesetzte monostabile
Kippschaltung; die beiden Transistoren Trl und Tr2 sind durch Kondensatoren Cll
und C21 und den zum Kondensator C21 parallelgeschalteten Widerstand
R24 miteinander gekoppelt. Ferner sind Ladewiderstände R 11 und R 21 für
die Kondensatoren Cll und C21 an die Kollektorelektroden und Basiswiderstände
R12 und R22 an die Basiselektroden der Transistoren angeschlossen.
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Im Ruhezustand ist der Kondensator Cll durch eine später noch näher
zu erläuternde Spannung aufgeladen. Es fließt daher ein Basisstrom durch den Transistor
Tr2, von - U über den einstellbaren Widerstand R22 zur Erde am Emitter. Der
Transistor Tr2 befindet sich daher im Sättigungszustand,
und das
Potential an seiner Kollektorelektrode kommt nahezu Erdpotential gleich.
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Die Basiselektrode des Transistors Trl liegt an einem durch den aus
den Widerständen R 12 und R24 gebildeten Spannungsteiler bestimmten Potential; an
dem Spannungsteiler liegen die Spannungsquelle B mit der Spannung U und das
Kollektorpotential des Transistors Tr2 an. Das Basispotential am Transistor Trl
ist daher positiv, und der Transistor Trl befindet sich im sperrenden Schaltzustand.
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Gewöhnlich liegt an der Kollektorelektrode des Transistors Trl das
Potential -U an. Gemäß der Erfindung ist eine Diode mit vorbestimmter Durchbruchspannung
(Zenerdiode) Dz an die Kollektorelektrode gegen Erde geschaltet, so daß das Kollektorpotential
-Uz der Durchbruchspannung Uz gleichkommt.
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Da an der Basiselektrode des Transistors Tr2 nahezu Erdpotential anliegt,
wird der Kondensator C 11 durch die Spannung Uz in dem Sinn aufgeladen,
daß an der mit der Kollektorelektrode, des Transistors Trl anliegenden Belegung
negative und an der mit der Basiselektrode des Transistors Tr2 anliegenden Belegung,
die an nahezu Erdpotential anliegt, positive Ladung auftritt und am Kondensator
die Ladespannung Uz anliegt.
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Dieser Schaltzustand der Kippschaltung ist stabil. An der mit der
Kollektorelektrode des Transistors Tr 2 angeschlossenen Ausgangsklemme
S liegt nahezu Erdpotential an. Auch an der Eingangsklemme E
liegt
nahezu Erdpotential an. Der schwache durch den Widerstand R13 fließende Strom bewirkt,
daß sich die Diode Dl im leitenden Schaltzustand befindet. Der Kondensator
C 1 ist daher nicht geladen.
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Wenn ein Ausgangsimpuls an der Klemme S auftreten soll, dann
wird der Eingangsklemme E ein Impuls negativen Potentials in der Höhe von
ue Volt zugeführt. In dem Basis-Emitter-Stromkreis des Transistors Trl tritt für
kurze Zeit ein Stromfluß über den Widerstand R 13 zum Kondensator
C 1 auf, dessen mit der Diode D 1 verbundene Belegung positive Ladung
erhält, so daß die Diode D 1 in den sperrenden Schaltzustand versetzt wird.
Der Transistor Trl wird leitend, und an seiner Kollektorelektrode tritt nahezu Erdpotential
auf.
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Von diesem Zeitpunkt an beginnt die Entladung des Kondensators
C 11 über den Widerstand R 22 zur Potentialquelle B mit dem Potential
- U, wobei der Transistor Tr2 infolge des Auftretens eines positiven Potentials
+ Uz an seiner Basiselektrode gesperrt wird.
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Durch die Sperrung des Transistors Tr2 wird das neaative Potential
an der Basiselektrode des Transistors Trl in dem Stromweg über - U,
Widerstände R 21, R 24, R 12, #- U
aufrechterhalten. Die Werte der
Schaltelemente in diesem Stromweg sind so bemessen, daß der im Basisstromkreis des
Transistors Trl fließende Strom diesen in den Sättigungszustand versetzt. Durch
den Kondensator C21 wird dieser Schaltvorgang beschleunigt, weil derKondensatorC21
für denWiderstand R24 einen Kurzschluß darstellt, solange er nicht geladen ist;
dadurch wird der übergang des Transistors Trl in den Sättigungszustand unterstützt.
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Die monostabile Kippschaltung ist dadurch gekippt. An der Ausgangsklemme
S liegt ein Potential an von nahezu - U Volt. Dieser Zustand bleibt
so lange bestehen, wie die Entladung des Kondensators Cll eine gewisse Grenze nicht
unterschritten hat.
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Zur Vereinfachung der Beschreibung der Schaltvorgänge sei angenommen,
daß der Kondensator C 11 unter dem Einfluß des Potentials
- Uz an der Kollektorelektrode des Transistors Trl in dem Schaltzustand,
in dem Erdpotential an der Basiselektrode des Transistors Tr2 anliegt, an der mit
der Kollektorelektrode des Transistors Trl verbundenen Belegung negative Ladung
und an der anderen die entsprechende positive Ladung unter dem Einfluß der Ladespannung
Uz angenommen hat.
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Der Kondensator C 11 befindet sich in diesem Ladungszustand,
wenn die Kippschaltung gekippt wird, doch liegt die Kollektorelektrode des Transistors
Trl an Erdpotential.
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Nun entlädt sich der auf die Ladespannung Uz aufgeladene Kondensator
Cll in Reihenschaltung mit der Speisebatterie B, die das Potential - U liefert,
wie in F i g. 2 gezeigt ist. Dieser Schaltvorgang kann durch Aufladung eines
ungeladenen Kondensators auf eine Spannung von (U+ Uz) Volt angenähert werden. Ein
Ergebnis besteht darin, daß dem Kondensator C 11 eine Spannung von
U Volt aufgedrückt wird, wenn er bereits auf die Spannung Uz aufgeladen ist,
unabhängig von der Sperrspannung. Wenn sich jedoch die Ladung des Kondensators dem
Wert Null nähert, dann sind die beiden Elektroden mit Erde verbunden, und der Transistor
Tr2 wird leitend, der Schaltvorgang wird unterbrochen, indem die monostabile Kippschaltung
gekippt wird.
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Tatsächlich beginnt ein Strom im Kollektorstromkreis zu fließen, sobald
der Transistor Tr2 leitend wird. Die Folge ist eine unmittelbar darauf erfolgende
Verringerung der Intensität des Basisstromes des Transistors Trl, wodurch auch der
Kollektorstrom abnimmt. Das Potential an der Kollektorelektrode sinkt ab, wogegen
das Potential an der Basiselektrode den Wert Null beibehält und sich der auf die
Spannung Uz aufgeladene Kondensator C 11 über den Basis-Emitter-Stromkreis
des Transistors Tr2 entlädt. Schließlich gelangt der Transistor Tr2 in einer sehr
kurzen Zeitspanne in den Sättigungszustand, und der Transistor Tr 1 wird
gesperrt. Die monostabile Kippschaltung ist in den Ruhezustand zurückgekippt, der
Ausgangsimpuls ist beendet.
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Dieser Schaltvorgang ist in dem Diagramm nach F i g. 3 dargestellt.
Die Kurve E zeigt den zeitlichen Verlauf des Eingangsimpulses mit der Amplitude
-ue. Die Kippschaltung geht in den anderen Schaltzustand über, und das Ausgangspotential
S geht von dem Wert - U im Ruhezustand auf den Wert Null über.
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Die Kurven UC11 stellen den zeitlichen Verlauf der Klemmenspannung
am Kondensator C 11 dar, wenn die Betriebsspannung die Werte U, U -A u
und U +A it aufweist. In dem Zeitpunkt, in dem die Kippung der Kippschaltung
einsetzt, ist der Kondensator CU auf die Spannung Uz aufgeladen. Zu dieser Spannung
kommt die Spannung U ± A u der Betriebsspannungsquelle hinzu.
Die in F i g. 3 dargestellten drei Spannungskurven lassen erkennen, daß der
Nulldurchgang der drei Kurven um so eher erfolgt, je
höher der Absolutwert
der Betriebsspannung ist. Der Nulldurchgang bewirkt den Beginn des Kippvorganges,
wie eben bereits beschrieben, und der Kondensator Cll lädt sich dann wieder auf
die Spannung Uz auf. Der Spannungsverlauf bei der Ladung des
Kondensators
ist in F i g. 3 nur für den Nennwert U
der Betriebsspannung eingezeichnet,
um den Kurvenverlauf nicht zu undeutlich zu machen.
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Die Ladespannung u eines Kondensators von der Kapazität
C, der über einen Widerstand R in Reihe aus einer Spannungsquelle von der
Spannung U+ Uz geladen wird, hat nach der Zeit t vom Ladungsbeginn an den Wert
erreicht. Die Zeitdauer T, nach der diese Spannung u den Wert Uz erreicht hat, ergibt
sich daher aus der Beziehung
woraus sich T zu
ergibt. Wenn die Zenerdiode Dz entsprechend passend gewählt wird, so daß
ist, dann braucht für eine genügend genaue Bestimmung von T nur das erste Glied
der Reihe berücksichtigt zu werden; der dadurch entstehende Fehler ist kleiner als
5 %. Es ergibt sich, daß
ist. Daraus ist zu ersehen, daß die Dauer T des Impulses verkehrt proportional zur
Höhe der Betriebsspannung U, aber direkt proportional zum Wert des Widerstandes
R ist.
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Dieser entspricht dem Widerstand R 22 in der Kippschaltung, der zur
Anpassung als einstellbarer Widerstand ausgebildet ist.