DE1141333B - Transistorschaltung als Signalpegeldetektor mit Zeitverzoegerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Signalpegeldetektorschaltung mit Zeitverzögerung, insbesondere als Zeitverzögerungs-Auslöseschaltung.

Signalpegeldetektorschaltungen mit Zeitverzögerung haben bekanntlich folgende Aufgabe: Ankommende Steuersignale sollen nach ihrem Betrag klassifiziert werden; soweit dieser Betrag einen bestimmten Schwellenwert nicht übersteigt, sollen sie wirkungslos bleiben, soweit der Schwellenwert überstiegen wird, soll hierdurch eine bestimmte physikalische Steuerwirkung, beispielsweise die Auslösung eines Relais erzielt werden; je stärker dabei der Betrag der ankommenden Steuersignale den vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, um so schneller soll die Auslösung der Steuerwirkung erfolgen, und umgekehrt. Eines der bekanntesten Anwendungsgebiete derartiger Signalpegeldetektorschaltungen mit Zeitverzögerung sind die sogenannten Zeitüberstromrelais. Meßtechnisch ist es bekannt, diese Unterscheidung der ankommenden Steuersignale mit Hilfe einer im Eingangskreis des Signalpegeldetektors vorgesehenen Meß- und Zeitverzögerungsschaltung aus einem Reihenwiderstand und einem Nebenschluß-Meßkondensator vorzunehmen. Der Kondensator des Zeitverzögerungsgliedes wird durch ein möglichst leistungsarm steuerbares Organ auf seinen Aufladezustand hin überwacht; sobald dieser einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, erfolgt die Auslösung. Die Zeitverzögerungswirkung der ÄC-Kombination ergibt dabei gleichzeitig die gewünschte Diskriminierung der ankommenden Steuersignale, je nach dem Grade, zu welchem sie den Schwellenwert übersteigen.

Wegen der bekannten vorteilhaften Eigenschaften von Transistoren (Einfachheit, Betriebsverläßlichkeit, niedrige Spannungsversorgung) ist es dabei erwünscht, als steuerbares, hochempfindliches Organ, das den Kondensator der Zeitverzögerungsschaltung auf seinen Aufladezustand hin überwacht, einen Transistor zu verwenden, derart, daß der Transistor normalerweise gesperrt ist und erst in den leitenden Zustand umgeschaltet wird, sobald der Aufladungszustand des Kondensators den vorgegebenen Wert übersteigt.

Diese erwünschte Verwendung von Transistoren als Detektorelement in derartigen Schaltungen stößt jedoch auf zwei mit den besonderen Transistoreigenschaften in Zusammenhang stehende Schwierigkeiten: Als stromgesteuerte Vorrichtung ist für den Transistor kein beliebig hoher Eingangswiderstand zulässig, wie er andererseits für eine derartige Detektorschaltung zur Erzielung auch längerer Zeitverzögerungen erforderlich wäre (die andere Möglichkeit, den Konden-Transistorschaltung

als Signalpegeldetektor

mit Zeitverzögerung

Anmelder:

The English Electric Company Limited, London

Vertreter: Dipl.-Ing. C.Wallach, Patentanwalt,
München 2, Kaufingerstr. 8

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 11. Juni 1959 (Nr. 20 034)

Eugeniusz Antoszewski, Stafford (Großbritannien), ist als Erfinder genannt worden

sator besonders groß zu wählen, scheidet wegen der Kostspieligkeit und der geringen Zuverläßlichkeit großer Elektrolytkondensatoren aus). Die andere Schwierigkeit ist in der bekannten starken Temperaturabhängigkeit der Transistoren sowie in ihrer Abhängigkeit von geringen Schwankungen der Spannungsversorgung begründet; für Präzisionsmessungen ist es jedoch erforderlich, daß der Auslösepunkt des Detektors von kleinen Spannungsschwankungen der Stromversorgung sowie von Temperatureinflüssen unabhängig ist.

Die Erfindung betrifft somit eine Transistorschaltung als Signalpegeldetektor mit Zeitverzögerung, insbesondere als Zeitverzögerungs-Auslöseschaltung, beispielsweise zur Anwendung in Zeitüberstromrelais, bei welcher im Basis-Emitter-Kreis des Transistors eine Zeitverzögerungsschaltung aus einem Reihenwiderstand und einem Nebenschlußkondensator vorgesehen ist. Durch die vorliegende Erfindung sollen die bei Verwendung von Transistoren als Detektorelement in derartigen Signalpegeldetektorschaltungen auftretenden Schwierigkeiten — Begrenzung der erzielbaren Zeitverzögerung, Abhängigkeit von Schwankungen der Spannungsversorgung und der Temperatur — vermieden werden.

Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung bei einer derartigen Schaltung vorgesehen, daß in Reihe mit dem Emitter des Transistors in an sich bekannter

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Weise eine Zenerdiode so geschaltet ist, daß sie vom Emitterstrom in Sperrichtung durchflossen wird, wobei die Schaltanordnung so getroffen ist, daß dasjenige Potential des Kondensators, bei welchem der Transistor leitend wird, in erster Linie von der Schwellspannung in Sperrichtung (Zenerspanmmg) der Zenerdiode abhängt und von Meinen Schwankungen der Spannungsversorgung des Transistors im wesentlichen unabhängig wird.

Durch diese Maßnahme werden einerseits lange Zeitverzögerungen erzielbar, und zwar ohne daß der Reihenwiderstand der im Eingangskreis liegenden Zeitverzögerungsschaltung einen unzulässig hohen Wert erhalten muß. Gleichzeitig wird durch die Ausbildung gemäß der Erfindung auch der Einfluß von Temperaturschwankungen weitgehend ausgeschaltet. Indem die Emitterelektrode des als Detektorelement dienenden Transistors mittels einer in Reihe liegenden Zenerdiode vorgespannt wird, wird erreicht, daß der Transistor während des Hauptteiles der Zeitverzögerungsperiode in nichtleitendem Zustand gehalten wird. Da die Temperaturschwankungen sich in wesentlicher Stärke nur während des Leitfähigkeitszustandes des Transistors auswirken, wird der Einfluß von Temperaturschwankungen somit weitgehend herabgesetzt.

Die Einschaltung einer Zenerdiode in Sperrichtung in Reihe mit dem Emitter eines Transistors ist in anderem Zusammenhang, nämlich als Element zur Erzeugung einer konstanten Vorspannung bei einem Transistor-Niederfrequenzverstärker, an sich bekannt.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Transistor ein n-p-n-Siliziumtransistor ist und mit seinem Emitter mit der Kathode der Zenerdiode verbunden ist.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Transistor ein Unipolartransistor ist, dessen Stromzuführungs-, Stromentnahme- bzw. Steueranschlüsse der Emitter-, Kollektor- bzw. Basiselektrode eines normalen Transistors entsprechen und dessen Stromzuführungsanschluß mit der Kathode der Zenerdiode verbunden ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Ausgang des Transistors über eine Schmitt-Trigger-Stufe, welche zwei mit ihren Emittern auf gemeinsamem Potential liegende p-n-p-Germaniumtransistoren aufweist, mit einem Hilfsrelais verbunden ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung; in dieser zeigt

Fig. 1 eine Relais-Meß- und Auslöseschaltung mit einer Widerstands-Kondensator-Zeitverzögerungs-Eingangsstufe und einem n-p-n-Siliziumtransistor,

Fig. 2 eine entsprechende Schaltung mit einem Unipolartransistor.

Die in Fig. 1 dargestellte Relais-Meß- und Auslöseschaltung weist eine Zeitverzögerungs-Eingangsstufe, eine als Signalpegeldetektorstufe wirkende Transistor-Dioden-Schaltung sowie eine die Auslösung bewirkende Transistor-Auslösestufe mit einem Hilfsrelais, auf, das von der Bauart mit elektromagnetisch betätigten Kontakten sein kann.

Die Zeitverzögerungs-Eingangsstufe besteht aus einer Reihenschaltung eines Widerstands Rl und eines Kondensators C, die durch ein den Eingangsklemmen des Systems zugeführtes Eingangssignal gespeist wird.

Die Transistor-Dioden-Schaltung ist ein Dreipol und weist einen Siliziumtransistor Tl vom n-p-n-Typ sowie eine Zenerdiode D in der gezeigten Schaltung auf. Die drei Anschlußpole der Schaltung sind mit P, ß,i? bezeichnet. Der Anschluß P ist mit der Basiselektrode des Transistors verbunden und wird von der gemeinsamen Verbindung des Widerstandes R1 und des Kondensators C gespeist. Der Anschluß Q ist mit der Kollektorelektrode des Transistors verbunden.

ίο Der Anschluß R ist mit der Diode D verbunden und wird von der mit dem Kondensator C verbundenen Eingangsklemme gespeist. Die Zenerdiode D ist so geschaltet, daß sie vom Transistor-Emitter-Strom in ihrer Sperrichtung durchflossen wird.

Eine Zenerdiode hat eine Schwellspannung in Sperrichtung, die erreicht sein muß, bevor sie einen nennenswerten Stromfluß in Sperrichtung durchläßt. Im Betrieb der Transistor-Dioden-Schaltung wird daher der Transistor nur dann sich im voll leitfähigen Zustand befinden, wenn die Eingangsspannung zwischen den Polen P und R einen durch die Schwellspannung der Zenerdiode fixierten Pegel übersteigt. Dies tritt in Fig. 1 dann ein, wenn der Kondensator C eine bestimmte Aufladung erreicht hat und kann durch das Auftreten von Stromfluß durch die Klemme Q der Schaltung nachgewiesen werden.

Dieser Nachweis erfolgt durch die als Auslöser wirkende Transistor-Auslösestufe, welche zwei p-n-p-Germaniumtransistoren Γ 2 und Γ 3 aufweist, die mit

ihren auf einem gemeinsamen Potential liegenden Emittern verbunden sind und eine Schmitt-Trigger-Schaltung bilden. Die Basiselektrode des Transistors T2 erhält ein Schaltsignal von der Verbindungsstelle der beiden Widerstände R 2 und R 3, die in Serie zwischen dem Kollektor des Transistors Tl und einer 18-V-Spannungsquelle liegen. Die Emitter der Transistoren T 2 und Γ 3 liegen über einen gemeinsamen Widerstand/?4 an einer 14-V-Spannungsquelle.
Das Hilf srelais/1 liegt zwischen der Massenklemme der Spannungsquellen und einer Schaltverbindung zwischen der Kollektorelektrode des Transistors T 2 und dem einen Ende einer Reihenschaltung von zwei Widerständen R 5 und R 6, deren anderes Ende mit der 18-V-Spannungsquelle verbunden ist und deren gemeinsame Verbindung mit der Basiselektrode des Transistors Γ 3 verbunden ist. Ferner ist der Kollektor des Transistors Γ 3 über einen Widerstand R 7 mit Masse verbunden.
Im Betrieb befindet sich, wenn der Transistor Tl im nichtleitenden Zustand ist, die Basis des Transistors Γ 2 auf einem höheren Potential als sein Emitter. Dies bewirkt, daß Transistor Γ 2 sich im nichtleitenden Zustand befindet. Der Stromweg durch die Widerständei?6 und R 5 und das Relais A erlaubt einen ausreichenden Stromfluß, um die Basiselektrode des Transistors Γ 3 auf ein Potential vorzuspannen, das unterhalb dem seines Emitters liegt, läßt jedoch keinen zur Betätigung des Relais A ausreichenden Stromfluß zu. Der Transistor T 3 befindet sich somit im leitenden Zustand. Der Strom durch diesen Transistor wird durch den Widerstand R 7 bestimmt. Sobald der Transistor Π leitend wird, fällt das Basispotential des Transistors Γ 2 unter das seines Emitters, wodurch dieser Transistor leitend wird und dieser das Relais A durch eine Schaltwirkung auslöst, die infolge des am Widerstand A4 hervorgerufenen Spannungsabfalls den Transistor T 3 in seinen nichtleitenden Zustand vorspannt.

Ein Vorteil der in Fig. 1 gezeigten Schaltung besteht darin, daß das Potential des Kondensators C, bei welchem diese Triggerwirkung eintritt, in erster Linie von der Sperr-Bezugsspannung der Zenerdiode abhängt und insofern unabhängig von kleinen Schwankungen der Spannungsversorgung für die Transistoren wird. Durch Verwendung eines Siliziumtransistors wird der Temperaturfehler weitgehend verringert, da ein derartiger Transistor nur einen sehr kleinen Ableitstrom hat und normalerweise dieser Ableitstrom eines Transistors die normalerweise stark temperaturempfindliche Größe ist.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung stimmt mit der Schaltung nach Fig. 1 überein, mit der Ausnahme, daß der Transistor Tl in diesem Fall ein Unipolartransistor (anderweitig als »Technetron« oder einfach als auf der Ausnutzung von Feldeffekten beruhender Halbleiter bekannt) ist. Bei einem typischen Unipolartransistor werden die beiden ohmsehen Anschlüsse, nämlich Stromzuführung und Stromentnähme, an η-Germanium hergestellt und in Reihe mit einer Gleichstromquelle und einem Lastwiderstand geschaltet. Ein beispielsweise durch Indium erzeugter p-Bereich, der als »Schalt- oder Steuerelektrode« (»gate«) bezeichnet wird, umgibt einen begrenzten Bereich des durch das Germanium führenden Strompfades; ein zwischen der Schaltelektrode (»gate«) und der »Quelle« angelegtes Signal steuert den Hauptstrom von der »Quelle« zu der »Ableitung«. Der »Unipolar«-Transistor ist zur Anwendung in einer Schaltung nach Art der in Fig. 2 gezeigten, auf Grund seines hohen Eingangswiderstandes besonders geeignet, da dieser die Erzielung langer Zeitverzögerungen mit Hilfe der in der Figur gezeigten, einfachen Widerstands-Kondensator-Zeitverzögerungsstufe ermöglicht.

Claims (4)

Patentansprüche :

1. Transistorschaltung als Signalpegeldetektor mit Zeitverzögerung, insbesondere als Zeitverzögerungs-Auslöseschaltung, beispielsweise zur Anwendung in Zeitüberstromrelais, bei welcher im Basis-Emitter-Kreis des Transistors eine Zeitverzögerungsschaltung aus einem Reihenwiderstand und einem Nebenschlußkondensator vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Emitter des Transistors (Tl) in an sich bekannter Weise eine Zenerdiode (D) so geschaltet ist, daß sie vom Emitterstrom in Sperrrichtung durchflossen wird, wobei die Schaltanordnung so getroffen ist, daß dasjenige Potential des Kondensators (C), bei welchem der Transistor (Γ1) leitend wird, in erster Linie von der Schwellspannung in Sperrichtung (Zenerspannung) der Zenerdiode (D) abhängt und von kleinen Schwankungen der Spannungsversorgung des Transistors im wesentlichen unabhängig wird.

2. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein n-p-n-Siliziumtransistor ist und mit seinem Emitter mit der Kathode der Zenerdiode (D) verbunden ist (Fig. 1).

3. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (Tl) ein Unipolartransistor ist, dessen Stromzuführungs-, Stromentnahme- bzw. Steueranschlüsse der Emitter-, Kollektor- bzw. Basiselektrode eines normalen Transistors entsprechen und dessen Stromzuführungsanschluß mit der Kathode der Zenerdiode (D) verbunden ist (Fig. 2).

4. Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Transistors (TT) über eine Schmitt-Trigger-Stufe, welche zwei mit ihren Emittern auf gemeinsamem Potential liegende p-n-p-Germaniumtransistoren (T 2, T 3) aufweist, mit einem Hilf srelais (A) verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 048 946;
Zeitschrift »Elektronische Rundschau«, März 1959, Bild 6.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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