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Bistabile Kippschaltung Die Erfindung betrifft eine bistabile Kippschaltung
mit zwei Transistoren, insbesondere Flächentransistoren, welche die Erzielung sehr
steiler Umschaltflanken und die Anwendung hoher Impulsfolgefrequenzen gestattet.
Derartige Schaltungen werden beispielsweise in elektronischen Rechenmaschinen und
anderen zur schnellen Datenverarbeitung bestimmten Anordnungen benötigt.
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Bei den bekannten bistabilen Kippschaltungen mit zwei Transistoren
in Emitterschaltung ist der Basisanschluß jedes Transistors über einen Widerstand
mit dem Kollektoranschluß des anderen Transistors verbunden. Um beim Kippvorgang
den bisher gesperrten Transistor mit steiler Anstiegsflanke in den leitenden Zustand
bringen zu können, schaltet man parallel zu jedem dieser Widerstände einen Kondensator.
Diese Maßnahme hat jedoch den Nachteil, daß durch die Kondensatoren andererseits
die Rückflanken (Abfallflanken) der an den Kollektoren abzunehmenden Ausgangsimpulse
abgeflacht werden. Die Impulsdauer ist dadurch verlängert und nicht mehr streng
definiert, die höchste anwendbare Impulsfolgefrequenz (Schaltfolge) wird herabgesetzt.
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Die Erfindung zeigt nun einen Weg auf, der es gestattet, unter Vermeidung
der erwähnten Kondensatoren diese Nachteile zu beseitigen und dennoch die erwünschte
steile Anstiegsflanke zu erhalten.. Dies wird dadurch erreicht, daß bei der bistabilen
Kippschaltung gemäß der Erfindung zwischen dem Kollektorstromkreis mindestens eines
der Transistoren und dem Basisstromkreis des anderen Transistors ein Differenzierübertrager
zur Erzielung einer zusätzlichen Rückkopplung vorgesehen ist. Es ist bereits ein
astabiler Multivibrator mit zwei Röhren bekannt, bei dem jeweils das Gitter der
einen Röhre mit der Anode der anderen Röhre über je einen Kondensator rückgekoppelt
ist und bei dem weiterhin zwischen dem Gitterkreis und dem Anodenkreis ein auf die
Kippfrequenz abgestimmter Übertrager eingeschaltet ist. Dieser Übertrager zusammen
mit einem Abstimmkondensator dient der Frequenzstabilisierung der astabilen Kippschaltung
und beeinflußt die Flankensteilheit der erzeugten Impulse nur unwesentlich. Dagegen
gelingt es bei einer bistabilen Kipp-Schaltung durch einen Differenzierübertrager
im Sinne der Erfindung eine wesentliche Versteilerung und Verkürzung der Schaltflanken
zu erzielen. Darüber hinaus gewinnt man durch einen solchen Übertrager die Möglichkeit,
die Arbeitsbedingungen der Transistoren während des Kippvorganges durch transformatorische
Leistungsanpassung günstiger zu gestalten als bisher. Die Wirkungsweise einer solchen
Kippschaltung sowie einige Möglichkeiten für ihre Verwirklichung sollen an Hand
der Zeichnung näher erläutert werden. Diese zeigt zunächst in Fig. 1 den grundsätzlichen
Aufbau einer bekannten, mit den erwähnten Koppelkondensatoren versehenen bistabilen
Kippschaltung und in Fig. 2 den Amplitudenverlauf der beiden Ausgangssignale dieser
Schaltung. Fig. 3 bezieht sich auf das Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung
gemäß der Erfindung, wobei der Amplitudenverlauf ihrer Ausgangssignale in Fig.4
dargestellt ist.
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Die bekannte bistabile Kippschaltung nach Fig. 1 enthält zwei Transistoren
1 und 2, deren Betriebsströme von einer Stromquelle 3 geliefert werden, wobei im
Stromkreis jedes der Kollektoren ein Arbeitswiderstand 4 bzw. 5 liegt und die Emitter
über einen gemeinsamen Widerstand 6 gespeist werden. Die Basis jedes Transistors
steht über einen Widerstand 7 bzw. 8 mit dem Bezugspotential und über einen weiteren
Widerstand 9 bzw. 10 mit dem Kollektor des anderen Transistors in Verbindung. Die
Widerstände 4, 10 und 8 sind dabei im allgemeinen gleich bemessen
wie die Widerstände 5, 9 bzw. 7. Die zum Umsteuern der Kippstufe in den jeweils
anderen Leitfähigkeitszustand dienenden Eingangsimpulse werden an einer Klemme 11
angelegt und über einen Koppelkondensator 12 und je eine Diode 13 bzw. 14 gleichphasig
der Basis beider Transistoren 1 und 2 zugeführt. Der Verbindungspunkt der beiden
Dioden liegt über einen Widerstand 15 am Emitterpotential. Die gegenphasigen Ausgangssignale
können an den Klemmen 16 und 17 abgenommen werden.
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Zum Verständnis der grundsätzlichen Wirkungsweise einer-solchen Schaltung
sei angenommen, daß
Transistor 1 zu einem gegebenen Zeitpunkt t1
-gesperrt ist. Durch seinen Arbeitswiderstand 4 fließt dann ein relativ kleiner
Strom, so daß am Kollektor dieses Transistors sowie an der Ausgangsklemme
16 (Fig. 2, Zeile a) eine hohe negative Spannung auftritt. Der Rückkopplungswiderstand
10 ist so groß gewählt, daß im Zusammenwirken mit dem Basiswiderstand 8 in die Basis
des stromführenden Transistors 2 ein Strom fließt, der diesen Transistor gerade
in der Sättigung hält bzw. ihn leicht übersteuert. Infolge des Spannungsabfalles
über seinem Arbeitswiderstand 5 ist die Spannung am Kollektor und an der Ausgangsklemme
17 (Fig. 2, Zeile b) des Transistors 2 sehr niedrig, so daß über den Rückkopplungswiderstand
9 die Sperrung des Transistors 1 und somit der stabile Zustand der Schaltung aufrechterhalten
wird. Wird nun von außen über Klemme 11 und Diode 14 der Basis des Transistors 2
ein positiver (Sperr-) Impuls zugeführt und dadurch sein Kollektorstrom stark herabgesetezt,
so überträgt sich die damit verbundene Spannungsänderung an seinem Kollektor über
den Rückkopplungswiderstand 9 auf die Basis des bisher gesperrten Transistors 1,
so daß dieser Strom zu führen beginnt (Fig. 2, t,). Dadurch sinkt infolge des Arbeitswiderstandes
4 die Spannung am Kollektor dieses Transistors, und diese Änderung wirkt über den
Rückkopplungswiderstand 10 an der Basis des Transistors 2 im gleichen Sinne weiter
wie der zugeführte Sperrimpuls. Dieser instabile Zustand dauert so lange an, bis
Transistor 2 gesperrt ist und Transistor 1 vollen Strom führt.
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Um in einem bisher gesperrten Flächentransistor einen Kollektorstrom
hervorzurufen bzw. einen bisher stromführenden Transistor zu sperren, ist es notwendig,
eine große Zahl von Ladungsträgern in den Basisraum des Transistors zu bringen bzw.
aus diesem zu entfernen. Je schneller dieser Ladungstransport erfolgen kann, desto
steiler sind die erzielten Umschaltflanken. Um nun die Basisräume während des vorstehend
beschriebenen Kippvorganges möglichst schnell umladen zu können, was über die relativ
großen Rückkopplungswiderstände 10 und 9 nicht möglich wäre, überbrückt man diese
Widerstände durch je einen Kondensator 18 bzw. 19. Man erhält dadurch zwar steile
Anstiegsflanken der Ausgangssignale (Fig.2b, t2); wie einleitend bereits erwähnt,
verläuft jedoch die Abfallflanke (Fig. 2a, t2), entsprechend einer C-R-Entladung,
exponentiell.
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Bei der gemäß der Erfindung gestalteten bistabilen Kippschaltung,
die in Fig. 3 dargestellt ist, entsprechen die Bauelemente 1... 17 jenen
der Schaltung nach Fig.1, wobei lediglich parallel zum Emitterwiderstand 6 in an
sich bekannter Weise ein Kondensator 20 liegt und die Werte der Basiswiderstände
7, 8 gegebenenfalls kleiner bemessen werden können als bisher üblich. Beispielsweise
können die Widerstände 4 und 5 je 2 k9, der Widerstand 6 40
52, die Widerstände 7 und 8 je 800 S2, die Widerstände 9 und 10 je 10 k52, der Widerstand
15 2 k52 und der Kondensator 20 0,1 u,F aufweisen. Die Rückkopplungswiderstände
9 und 10 sind jedoch nicht durch Kondensatoren überbrückt. Die Aufgabe, die Umladung
der Basisräume der Transistoren während des Kippvorganges zu beschleunigen, wird
hier in wesentlich günstigerer Weise gelöst, und zwar mit Hilfe eines besonderen
Übertragers 21. Dieser weist zwei Primärwicklungen 22, 23 und zwei Sekundärwicklungen
24, 25 auf, welche in die Kollektor- bzw. Basis-Stromkreise beider Transistoren
eingefügt sind. Für die Anordnung dieser Wicklungen innerhalb der Schaltung bieten
sich mehrere Möglichkeiten. In besonders vorteilhafter Weise kann man, wie dargestellt,
so vorgehen, daß die beiden Wicklungen der Primär- und der Sekundärseite des Übertragers
jeweils unmittelbar in Serie geschaltet und so in die Schaltung eingefügt sind,
daß der Anschluß der Kollektor- und Basisstromkreise an die Stromquelle 3 jeweils
über die durch die Zusammenschaltung der Wicklungen entstandenen Verbindungspunkte
erfolgt.
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Wird bei der Schaltung nach Fig. 3 durch einen positiven Eingangsimpuls
der Kippvorgang eingeleitet. so erzeugen die in den Primärwicklungen 22, 23 des
Übertragers auftretenden Stromänderungen sofort ein starkes Rückkopplungssignal
mit steiler Anstiegsflanke in den Sekundärwicklungen 24, 25, welches über die Basiswiderstände
7 und 8 mit entgegengesetzter Polarität den Basen der beiden Transistoren zugeleitet
wird. Dadurch kippt die Schaltungsanordnung sehr schnell und zuverlässig in den
anderen stabilen Zustand, der mit Hilfe der Rückkopplung über die Widerstände 9
und 10 bis zum Eintreffen des nächsten Eingangsimpulses aufrechterhalten wird.
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Der Amplitudenverlauf der an den Klemmen 16 und 17 abzunehmenden Ausgangssignale
ist in Fig. 4, Zeilen a bzw. b, gezeigt. Es ist zu ersehen, daß die Impulse nunmehr
auch mit steiler Flanke abfallen und daß sich im Anschluß an diese Flanke eine negative
Amplitudenspitze ausbildet. Diese wird in vielen Fällen, z. B. beim Zusammenwirken
der beschriebenen Schaltung mit elektronischen Schaltern, erwünscht sein. Anderenfalls
ist es leicht möglich, diese Spannungsspitzen abzuschneiden. Man braucht dazu nur
an einem oder, wenn beide Ausgangssignale interesssieren, an beiden Kollektoren
eine Begrenzerdiode 26 bzw. 27 anschließen, deren andere Klemme 28 in bekannter
Weise an einer geeigneten Vorspannung liegt. Der Anschluß solcher Dioden ist in
Fig. 3 mit gestrichelten Verbindungslinien angedeutet.
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Die Verwendung eines Übertragers zur Erzielung einer zusätzlichen
Rückkopplung bietet den weiteren Vorteil, daß durch entsprechende Bemessung des
Übersetzungsverhältnisses zwischen Primär- und Sekundärseite in einfacher Weise
eine Leistungsanpassung durchgeführt werden kann. Diese ermöglicht es, die Betriebsbedingungen
der Transistoren zu verbessern.
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Es besteht ferner die Möglichkeit, den Übertrager 21 mit einer weiteren
Sekundärwicklung 29 zu versehen, an deren Klemmen dann ein Ausgangssignal abgenommen
werden kann, dessen Amplitudenverlauf schematisch in Fig. 4, Zeile c, dargestellt
ist. Unter Umständen könnte man andererseits auch den Kippvorgang in der Weise einleiten,
daß das Eingangssignal über eine weitere Sekundärwicklung des übertragers auf die
Schaltung einwirkt.
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Wenngleich die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 besonders vorteilhafte
Eigenschaften aufweist, so ist sie selbstverständlich dennoch nur als ein Ausführungsbeispiel
zu werten, da die Erfindung sich auch durch andere Anordnungen verwirklichen läßt.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die beiden Primärwicklungen und/oder die
beiden Sekundärwicklungen des Übertragers innerhalb der Kollektor-bzw. Basiskreise
der Transistoren auch an anderer Stelle eingefügt sein könnten. Beispielsweise könnten
die
Sekundärwicklungen unmittelbar an die Basen der Transistoren angeschlossen werden.
Es ist auch nicht grundsätzlich nötig, daß die beiden Primärwicklungen und die beiden
Sekundärwicklungen untereinander symmetrisch ausgebildet sind. Darüber hinaus könnte
bei unsymmetrischer Ausführung der Schaltung auch ein Übertrager verwendet werden,
bei dem gegenüber dem Ausführungsbeispiel eine der Primärwicklungen und/oder der
Sekundärwicklungen fehlt. Wesentlich für die erfindungsgemäße Ausgestaltung der
bistabilen Kippschaltung ist nur, daß zwischen dem Kollektorstromkreis und dem Basisstromkreis
zumindest je eines der Transistoren eine transformatorische Rückkopplung wirksam
ist.