DE2425904A1

DE2425904A1 - Stoerungssicheres, optisch gekoppeltes logiknetzwerk

Info

Publication number: DE2425904A1
Application number: DE19742425904
Authority: DE
Inventors: Robert H Perry
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-06-05
Filing date: 1974-05-30
Publication date: 1975-01-02
Also published as: AU6914974A; CA1023010A; ZA743109B; BE815913A; FR2232883B1; DE2425904C2; IN141692B; SE7407424L; ES426953A1; US3826930A; IT1013916B; JPS5023552A; CH591185A5; FR2232883A1

Description

ülPL-iNG. KL AUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9 2425904

Düsseldorf, 29. Mai 1974 44,576
7468

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pennsylvania, V. St. A.

Störungssicheres, optisch gekoppeltes
Logiknetzwerk ·

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Fahrzeugsteuerungssysteme und insbesondere auf eine Anordnung dafür, die eine Mehrzahl störungssicherer, optisch gekoppelter Logiknetzwerke umfaßt, die UND-, ODER-, Verriegelungs- sowie Signalübermittlungs·^ funktionen ausüben.

Es wird auf die folgenden US-PSen Bezug genommen: US-PS 3,751,689 "Electronic Latch Circuit" vom 22. 7. 71 - William P. Hogg -, US-PS 3,600,604 vom 3. 12. 68 - George M. Thorne-Booth -, wobei beide Patentschriften auf die gleiche Anmelderin wie die vorliegende Anmeldung zurückgehen.

In Fahrzeugsteuersystemen der jüngsten Zeit werden störungssichere elektronische Logik-Bausteine verwendet, um die Funktionen auszuführen, die früher durch mechanische Relais, wie sie in Fahrzeugsteuersystemen verwendet wurden, ausgeführt wurden,- Bei diesen

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Telefon (0211) 3208 58 Telegramme Custopat

störungssicheren elektronischen Logik-Bausteinen wurde mit Kondensator- und/oder Transformatorkopplung gearbeitet. Die Verwendung solcher Bausteine kann hohe Arbeitsspannungen bedingen, was wiederum eine sorgfältigere Auswahl der Transistoren bedingt. Ebenso können höhere Arbeitsfrequenzen notwendig sein, was wiederum zu Rausch- oder Störspannungsproblemen führen kann.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Anordnung mit störungssicheren, optisch gekoppelten Logiknetzwerken so auszubilden, daß ein Logiknetzwerk verhältnismäßig preiswert ist, bei niedri-

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gen Frequenzen und bei niedrigeren Spannungen arbeitet und im übrigen keinerlei Fehlererscheinungen aufweist, wie sie beim Stand der Technik auftreten.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein störungssicheres, optisch gekoppeltes Verriegelungs-Logiknetzwerk erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Gate-Signalquelle, eine Steuersignalquelle, einen Schalter mit leitfähigem Pfad und einer von den Steuersignalen beaufschlagten Steuerelektrode zum Schließen des Schalters, eine lichtemittierende Diode, deren erster Anschluß mit der Gate-Signalquelle und deren zweiter Anschluß mit dem leitfähigen Pfad des Schalters verbunden ist, wobei die lichtemittierende Diode in Abhängigkeit von der Lieferung eines Gate-Signals an den ersten Anschluß der lichtemittierenden Diode bei gleichzeitiger Schließung des Schalters Licht emittiert, eine auf von der lichtemittierenden Diode emittiertes Licht ansprechende Einrichtung zur Abgabe eines Ausgangssignals sowie eine auf die Abgabe des Ausgängs-

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signals ansprechende Einrichtung zur Beaufschlagung des ersten Anschlusses der lichtemittierenden Diode mit dem Ausgangssignal und damit zur Aufrechterhaltung der lichtemittierenden Diode in einem lichtemittierenden Zustand solange gleichzeitig die Steuersignale der Steuerelektrode des Schalters zugeführt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 schematisch ein Schaltbild eines störungssicheren, optisch gekoppelten UND-Gatters nach der Erfindung;

Fig. 2 schematisch ein Schaltbild eines störungssicheren, optisch gekoppelten Verriegelungs-Netzwerks nach der Erfindung;

Fig. 3 schematisch ein Schaltbild eines störungssicheren, optisch gekoppelten ODER-Gatters nach der Erfindung; und

Fig. 4 schematisch ein Schaltbild eines störungssicheren, optisch gekoppelten Signalübertragungsnetzwerks nach der Erfindung.

Im einzelnen ist in Fig. 1 ein störungssicheres, optisch gekoppeltes UND-Gatter 2 mit Signaleingängen 4 und 6 sowie einem

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Signalausgang 8 wiedergegeben. An dem Signalausgang 8 wird in Abhängigkeit von einem dem Signaleingang 4 zugeführten periodischen Signal ein periodisches Ausgangssignal nur dann abgegeben, wenn gleichzeitig dem Signaleingang 6 ein Gate-Signal zugeführt wird. Eine Signalquelle 10 wie etwa ein Geschwindigkeitskodierer liefert ein periodisches Signal wie das Signal 12 an die Basis eines npn-Transistors 14. Der Transistor 14 wird in Abhängigkeit von den positiven Impulsen des Signals 12 nur dann leitend, wenn die Signalquelle 16 ein positives Gate-Signal an die Anode eines lichtemittierenden Schaltelements wie die lichtemittierende Diode 18 liefert. Die lichtemittierende Diode 18 emittiert nur dann Licht, wenn gleichzeitig sowohl der Signaleingang 6 mit dem positiven Gate-Signal beaufschlagt als auch der Transistor 14 durch die dem Signaleingang 4 zugeführten positiven Eingangsimpulse leitend gemacht wird. Ein lichtempfindliches Schaltelement wie die Photodiode 20 spricht auf das Licht von der Diode 18 an und liefert einen Strom an den Emitter eines Transistors 22, der in Basis-an-Masse-Schaltung angeschlossen ist. Es versteht sich, daß auch sonstige lichtempfindliche Schaltelemente wie ein Phototransistor o. dgl. anstelle der Photodiode 20 verwendet werden können. Der Transistor 22 liefert Stromimpulse 23 an die Basis eines Transistors 24, der daraufhin leitend wird und ins Negative gehende Impulse 25 über den Signalausgang 8 abgibt, wobei diese Impulse im wesentlichen zur gleichen Zeit wie die ins Positive gehenden Impulse des Signals 12 auftreten, das dem Signaleingang 4 zugeführt wird. Auf das am Signalausgang 8 auftretende Signal spricht eine Last 26 an, die beispielsweise von einem Signaldekodierer

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ο. dgl. gebildet sein kann. Der Widerstand 28 arbeitet als Basis-Vorspannungswiderstand für den Transistor 24, während der Widerstand 30 als Lastwiderstand arbeitet. t>as der Basis des Transistors 24 über den Widerstand 28 zugeführte positive Potential spannt den Transistor 24, sofern von der Photodiode 20 kein Licht erfaßt wird, auf einen nichtleitenden Zustand vor, wobei über den Widerstand 30 am Signalausgang 8 ein positives Potential erfaßt wird. Das Signal am Signalausgang 8 wird jedesmal dann im wesentlichen auf Grundpotential gebracht, wenn der Transistor 22 leitend wird und der Basis des Transistors 24 in Abhängigkeit von der Erfassung von Licht durch die Photodiode 20 Strom zuführt.

Wie ersichtlich, ist das UND-Gatter 2 echt störungssicher, da beim Fehlen eines Signalausgangs entweder von der Signalquelle 10 oder der Signalquelle 16 die lichtemittierende Diode 18 aufhört, weiteres Licht zu emittieren. Ebenso hört die Photodiode auf, Licht zu emittieren, wenn an einem der beiden Signaleingänge ein Bruch aufgetreten sein sollte. Sollte der Transistor 14 öffnen, so würde eindeutig kein Strompfad durch die lichtemittierende Diode verlaufen, so daß kein Licht emittiert werden könnte. Wenn andererseits der Transistor 14 einen Kurzschluß erleiden sollte, so würde die lichtemittierende Diode 18 Licht mit konstantem und nicht mit sich periodisch änderndem Niveau emittieren. Es könnte auch die Diode 18 infolge des durch den" kurzgeschlossenen Transistor 14 gezogenen starken Stroms durchbrennen. Für das gezeigte UND-Gatter 2 besteht jedoch keine Möglichkeit, das Signal vom Ausgang zu einem der beiden Signaleingänge zurückzuführen, wie das bei

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transformatorischer oder kapazitiver Kopplung möglich ist, da die Photodiode 20 kein Licht emittiert und die lichtemittierende Diode nicht auf die Emission von Licht anspricht. Das Ausfallen irgendeines Schaltelements in dem an den Signalausgang angeschlossenen Teil der Schaltung kann beim Fehlen eines periodischen Signaleingangs nicht zur Abgabe eines periodischen Ausgangssignals führen, weil keine reaktiven Bauelemente darin enthalten sind. Der einzig mögliche Storungszustand ist der, daß ein +V-Signal konstant an den Signalausgang 8 abgegeben wird, was einem sicheren Zustand entspricht, da es sich dabei um die Situation handelt, wie sie normalerweise beim Fehlen eines periodischen Eingangssignals auftritt, oder statt dessen wird ein Massepotential bzw. ein Potential mit der Spannung Null fortlaufend an dem Signalausgang 8 abgegeben. Dabei handelt es sich ebenfalls um einen sicheren Zustand, da die Last 26 so ausgelegt ist, daß sie nur auf ein periodisches Eingangssignal anspricht.

Fig. 2 zeigt eine störungssichere Verriegelungsanordnung, die im wesentlichen den zuvor in Verbindung mit dem UND-Gatter 2 beschriebenen Aufbau hat, außerdem jedoch ein Rückkopplungsnetzwerk aufweist, so daß die Verriegelungsanordnung fortlaufend ein periodisches Signal an ihrem Signalausgang abgeben kann, solange ein periodisches Signal fortlaufend an einen Signaleingang geliefert wird, und zwar gleichzeitig mit der und anschließend an die augenblickliche(n) Lieferung eines Gate-Signals an den anderen Signaleingang. Soweit die Bauteile in der Schaltung nach Fig. 2 die gleichen wie in der Schaltung nach Fig. 1 sind, sind sie mit

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den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Signalquelle 10 liefert das periodische Signal 12 an den Signaleingang 4, der an der Basis des Transistors 14 liegt. Die Signalquelle 16 liefert für eine kurze Dauer ein Gate-Signal 13 an den Signaleingang 6, der an die Anode der lichtemittierenden Diode 18 angeschlossen ist. In Abhängigkeit davon emittiert die lichtemittierende Diode Licht, und die Photodiode 20 spricht auf das emittierte Licht an, um dann Stromimpulse 29 in der gezeigten Weise an den Eingang eines Verstärkers 30' abzugeben, der seinerseits ein periodisches Signal 31 an einen Ausgang 32 liefert, der an einer Wechselspannungslast 34 liegt, die beispielsweise von einem Signaldekoder o. dgl. gebildet sein kann. Das am Ausgang des Verstärkers 30" abgegebene periodische Signal wird außerdem einer Detektorstufe 36 zugeführt, die Kondensatoren 38 und 40 sowie Dioden 42 und 44 enthält. Ein positives Gleichspannungssignal 45 wird über einen Ausgang 46 abgegeben, der an einer Gleichspannungslast 48 liegt, die beispielsweise als Relais o. dgl., ausgebildet sein kann. Dieses Gleichspannungssignal ist außerdem mit dem Signaleingang 6 gekoppelt, um die lichtemittierende Diode 18 so lange leitend zu halten, wie ein periodisches Signal fortlaufend an den Signaleingang 4 geliefert wird. Man erkennt, daß, nachdem die Diode 18 einmal Licht in Abhängigkeit von der gleichzeitigen Beaufschlagung des Signaleingangs 4 mit einem periodischen Signal und des Signaleingangs 6 mit einem Gate-Signal von der Signalquelle 16 liefert, die Diode 18 infolge des kontinuierlichen periodischen Eingangssignals am Signaleingang 4 und der Signalrückkopplung am Signaleingang 6 vom Ausgang der Detektorstufe 36 weiterhin Licht emittiert. Die wieder-

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gegebene Verriegelungsanordnung arbeitet aus den gleichen Gründen wie hinsichtlich der störungssicheren Arbeitsweise des UND-Gatters 2 nach Fig. 1 dargelegt störungssicher.

Mit Fig. 3 ist ein störungssicheres, optisch gekoppeltes ODER-Gatter veranschaulicht. Ein ODER-Gatter 50 hat Signaleingänge 52, 54 und 56 sowie einen Signalausgang 58. Dem Signaleingang 52 werden periodische Signale 60 von einer Signalquelle 62 zugeführt, die beispielsweise eine Geschwindigkeitskodiereinrichtung o. dgl. sein kann. Eine Signalquelle 64 beaufschlagt den Signaleingang 54 mit einem Gate-Signal 66, während eine Signalquelle 68 dem Signaleingang 56 ein Gate-Signal 71 zuführt. Das periodische Eingangssignal 60 wird gleichzeitig auch den Basen von Transistoren 70 bzw. 72 zugeführt. Wenn dem Signaleingang 54 ein Gate-Signal und gleichzeitig der Basis des Transistors 70 das periodische Signal 60 zugeführt wird, so emittiert die lichtemittierende Diode 73 mit der Frequenz des periodischen Signals 60 Licht, während bei Beaufschlagung des Signaleingangs 56 mit dem Gate-Signal 71 zugleich mit der Beaufschlagung der Basis des Transistors 72 durch das periodische Signal 60 eine lichtemittierende Diode 74 Licht mit der Frequenz des periodischen Signals 60 emittiert. In Abhängigkeit von der Emission von Licht durch die lichtemittierenden Dioden 73 oder 74 wird die Photodiode 76 leitend, um dann Stromimpulse 77 an den Emitter eines Transistors 78 zu liefern, der in Basis-an-Masse-Schaltung angeschlossen ist. Ein Transistor 80 wird in Abhängigkeit^fvon Stromimpulsen leitend, die seiner Basis von dem leitenden Transistor 78 zugeführt werden, so daß er in

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Abhängigkeit davon ein Ausgangssignal 80 über den Signalausgang 58 abgibt. Das periodische Ausgangssignal 80 beaufschlagt eine Last 82, die als Dekoder.o. dgl. ausgebildet sein kann. Das ODER-Gatter 50 arbeitet aus den gleichen Gründen, wie sie in Verbindung mit der störungssicheren Arbeitsweise des UND-Gatters 2 erläutert wurden, störungssicher, wobei im übrigen kein Signal von dem Signaleingang 54 an den Signaleingang 56 oder umgekehrt rückgekoppelt werden kann, weil die lichtemittierende Diode wie zuvor erwähnt nicht auf die Emission von Licht anspricht.

Fig. 4 zeigt ein störungssicheres, optisch gekoppeltes Signalübertragungsgatter nach der Erfindung. Das Signalübertragungsgatter übt die Funktion eines einpoligen, in zwei verschiedene Schaltstellungen überführbaren Relais aus. Das Übertragungsgatter 84 weist Signaleingänge 86, 88 und 90 sowie einen Signalausgang 82 auf. Den Signaleingängen 86 und 88 werden Informationssignale, beispielsweise kodierte Geschwindigkeitssignale, zugeführt. Der Signaleingang 86 erhält normalerweise einen einer niedrigen Geschwindigkeit, beispielsweise der Geschwindigkeit Null entsprechenden Befehl, während der Signaleingang 88 einen einer höheren Geschwindigkeit von beispielsweise 80 km/h entsprechenden Befehl erhält. Ein dem Signaleingang 90 normalerweise zugeführtes Signal -V1 sucht eine lichtemittierende Diode 94 leitend zu machen, während eine positive Spannung benötigt wird, um die lichtemittierende Diode 96 leitend zu machen. Dem Signaleingang 90 wird ein positives Signal nur dann zugeführt, wenn der Schalter 98 geschlossen ist, so daß der Signaleingang 90 mit der positiven

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Spannung +V2 beaufschlagt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die positive Spannung +V2 eine Amplitude hat, die gleich oder größer als die der negativen Spannung -V1 ist. Es sei angenommen, daß der Schalter 98 sich in der dargestellten Weise im geöffneten Zustand befindet. Die Spannung -V1 beaufschlagt dann den Signaleingang 92, so daß die lichtemittierende Diode 96 in Sperrichtung, die lichtemittierende Diode 94 dagegen in einen leitenden Zustand vorgespannt wird. In Abhängigkeit von einem dem Signaleingang 86 zugeführten periodischen Signaleingang 95 wird der pnp-Transistor 97 leitend, und die lichtemittierende Diode 94 emittiert Licht mit einer Frequenz, die durch die Frequenz des am Signaleingang 86 erscheinenden Signals bestimmt wird. Der npn-Transistor 100 bleibt auch dann im nichtleitenden Zustand, wenn dem Signaleingang 88 periodische Signale zugeführt werden, da die lichtemittierende Diode 96 aufgrund des dem Signaleingang 90 zugeführten Signalpotentials in Sperrichtung vorgespannt ist.

Es sei nun angenommen, daß der Schalter 98 geschlossen ist und das positive Potential +V2 den Signaleingang 90 beaufschlagt. In diesem Fall wird die Photodiode 94 in Sperrichtung vorgespannt, während die Photodiode 96 in einen leitenden Zustand vorgespannt wird. In Abhängigkeit von einem dem Signaleingang 88 zugeführten periodischen Eingangssignal 101 wird der Transistor 100 leitend, und die Photodiode 96 emittiert Licht mit einer Frequenz, die durch die Frequenz des an dem SignaIeingang 88 auftretenden Eingangssignals 101 bestimmt wird. Der Transistor 97 bleibt zu diesem Zeitpunkt im nichtleitenden Zustand, unabhängig von dem

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Signaleingang 96 zugeführten periodischen Signalen, da die lichtemittierende Diode 94 infolge des positiven Potentials am Signaleingang 90 in Sperrichtung vorgespannt ist. Eine Photodiode 102 spricht auf die Emission von Licht entweder von der lichtemittierenden Diode 94 oder von der lichtemittierenden. Diode 96 an und liefert Strömimpulse an den Emitter eines Transistors 104, der in Basis-an-Masse-Schaltung angeschlossen ist. Ein Transistor 106 spricht auf den leitenden Zustand des Transistors 1O4 so an, daß er seinerseits leitend wird und ein periodisches Ausgangssignal am Signalausgang 92 abgibt. Dieses Ausgangssignal tritt mit einer Frequenz auf, die von der Frequenz des von der Photodiode 102 erfaßten Lichts abhängt. Eine Last 108, die als Dekoder o. dgl. ausgebildet sein kann, spricht auf die am Signalausgang 92 auftretenden periodischen Signale an. Das Signalübertragungsgatter 94 arbeitet aus den gleichen Gründen, wie sie zuvor in Verbindung mit der Erläuterung der störungssicheren Arbeitsweise des UND-Gatters 2 dargelegt wurden, störungssicher.

Insgesamt stellt die Erfindung damit eine Mehrzahl störungssicherer, optisch gekoppelter logischer Bausteine zur Verfügung, die ein Ausgangssignal nur in Abhängigkeit von vorgegebenen Eingangssignalen liefern. ·

P atentansprüche

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Claims

- ¹² - 2/125904

Patentansprüche :

(1 J Störungssicheres, optisch gekoppeltes Verriegelungs-Logiknetzwerk, gekennzeichnet durch eine Gate-Signalquelle, eine Steuersignalquelle, einen Schalter mit leitfähigem Pfad und einer von den Steuersignalen beaufschlagten Steuerelektrode zum Schließen des Schalters, eine lichtemittierende Diode, deren erster Anschluß mit der Gate-Signalquelle und deren zweiter Anschluß mit dem leitfähigen Pfad des Schalters verbunden ist, wobei die lichtemittierende Diode in Abhängigkeit von der Lieferung eines Gate-Signals an den ersten Anschluß der lichtemittierenden Diode bei gleichzeitiger Schließung des Schalters Licht emittiert, eine auf von der lichtemittierenden Diode emittiertes Licht ansprechende Einrichtung zur Abgabe eines Ausgangssignals sowie eine auf die Abgabe des Ausgangssignals ansprechende Einrichtung zur Beaufschlagung des ersten Anschlusses der lichtemittierenden Diode mit dem Ausgangssignal und damit zur Aufrechterhaltung der lichtemittierenden Diode in einem lichtemittierenden Zustand solange gleichzeitig die Steuersignale der Steuerelektrode des Schalters zugeführt werden.
2. Logiknetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter einen Transistor aufweist, dessen Basis an die Steuersignalquelle angeschlossen ist.

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3. Störungssicheres, optisch gekoppeltes Logiknetzwerk, gekennzeichnet durch einen ersten und zweiten Schalter, die jeweils einen leitfähigen Pfad und eine von Steuersignalen beaufschlagte Steuerelektrode zum Schließen der Schalter aufweisen, wobei die jeweiligen leitfähigen Pfade der Schalter in Reihe geschaltet sind, eine erste und zweite lichtemittierende Diode, wobei die Anode der ersten Diode an der Kathode der zweiten Diode und die Kathode der ersten Diode an dem leitfähigen Pfad des ersten Schalters, ferner die Anode der zweiten Diode an dem leitfähigen Pfad des zweiten Schalters liegen, eine erste und. zweite Steuersignal-Eingangseinrichtung zur Beaufschlagung der Steuerelektroden des ersten bzw. zweiten Schalters mit ersten und zweiten Steuersignalen, um diese zu schließen, eine Einrichtung zum selektiven Beaufschlagen der gemeinsamen Verbindung der ersten und zweiten lichtemittierenden Diode mit einem dritten Signal mit einem von zwei Werten, wobei der erste Wert die erste lichtemittierende Diode leitend und die zweite lichtemittierende Diode nichtleitend zu machen sucht, während der zweite Wert die erste lichtemittierende Diode nichtleitend, dagegen die zweite lichtemittierende Diode leitend zu machen sucht, so daß die erste lichtemittierende Diode Licht in Abhängigkeit davon liefert, daß das dritte Signal den ersten Wert hat, wenn gleichzeitig der erste Schalter geschlossen ist, während die zweite lichtemittierende Diode Licht in Abhängigkeit davon liefert, daß das dritte Signal den zweiten Wert hat und zugleich der zweite Schalter geschlossen ist, sowie durch

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eine auf Licht ansprechende Einrichtung zur Abgabe eines Ausgangssignals in Abhängigkeit davon, daß die erste bzw. die zweite lichtemittierende Diode Licht emittiert.
4. Logiknetzwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Schalter als erster bzw. zweiter Transistor von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp ausgebildet sind, wobei entweder die Kollektor- oder die Emitterelektrode des ersten Transistors an einer gleichartigen Elektrode des zweiten Transistors liegt, und daß die Anode der ersten lichtemittierenden Diode an der Kathode der zweiten lichtemittierenden Diode liegt, während die Kathode der ersten lichtemittierenden Diode an der verbleibenden Kollektorbzw. Emitterelektrode des ersten Transistors liegt und die Anode der zweiten lichtemittierenden Diode an der verbleibenden Kollektor- bzw. Emitterelektrode des zweiten Transistors liegt.

KN/sg 5

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