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Elektronischer Schwellwertschalter zur Durchführung von Schaltvorgängen
in Abhängigkeit von veränderlichen äußeren Zustandsgrößen (z.B. Licht, Temperatur,
Schalldruck) Es ist von den sogenannten Dämmerungsschaltern her bekannt, in Abhängigkeit
von Grenzwertdurchgängen der Lichtstärke plötzliche Spannungssprünge für Schaltzwecke
unter Benutzung von Kaltkathodenröhren zu erzielen, die bei Überschreiten einer
Grenzspannung an einer Zündelektrode leitend werden, wobei man auch zwei derartige
Röhren, die nach Art einer Kippschaltung sich gegenseitig löschen, benutzt hat.
Ferner ist als Schwellwertschalter der Schmitt-Trigger bekannt, bei dem zwei Kippschaltelemente
(Röhren oder Transistoren) mit drei Elektroden durch Kopplungszweige in asymmetrischer
Weise derart verbunden sind, daß normalerweise ein Element leitet und das andere
gesperrt ist, durch Anlegen sich erhöhender Spannung an das erstgenannte Element
aber eine Umkehrung dieses Verhältnisses als Kippvorgang erzielt werden kann, wobei
am Ausgang des zweiten Elementes ein für Schaltzwecke ausnutzbarer Spannungssprung
entsteht.
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Die Erfindung beschäftigt sich ebenfalls mit der Aufgabe, Spannungssprünge,
die insbesondere für Ein-oder Umschaltungen ausnutzbar sind, in Abhängigkeit von
Schwellwertdurchgängen veränderlicher Größen zu erzielen. Sie sieht vor, daß in
das Spannungsteilernetz einer an sich bekannten bistabilen Kippschaltanordnung mit
vorzugswAise Transistoren, das zwischen zwei festen Spannungen zwei elektrisch stabile
Zustände einnehmen kann, ein durch die veränderlichen äußeren Zustandsgrößen in
seinem elektrischen Widerstand selbsttätig veränderbares Glied derart eingefügt
ist, daß Schwellwertdurchgänge der äußeren Zustandsgrößen ein Umkippen von einem
in den anderen stabilen Zustand herbeiführen.
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Ferner sieht die Erfindung vor, daß bei einer bistabilen Kippschaltanordnung,
von der Schaltspannungen ab geleitet werden sollen, ein Auskoppeltransistor mit
seiner Emitter-Basis-Strecke in Reihe mit der Emitter-Kollektor-Strecke eines der
Kipptransistoren liegt, wobei die Basis des Auskoppeltransistors mit dem Emitter
des Kipptransistors gleichstrommäßig verbunden ist, oder daß der Emitter jedes Kipptransistors
mit der Basis eines Auskoppeltransistors in dieser Weise verbunden ist.
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Eine so bewirkte Stromsteuerung des Auskoppeltransistors beeinflußt
die eigentliche Kippschaltung nur wenig und erlaubt es, größere Laststeuerströme
zu schalten. Es können aber auch derart angeschaltete Auskoppeltransistoren gemäß
der weiteren Erfindung in das Kippschaltnetz einbezogen werden, indem ein Rückkopplungszweig
für einen der Kipptransistoren (oder für beide) an den Kollektor des dem anderen
Kipptransistor zugeordneten Auskoppeltransistors gelegt ist.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Emitter der Kippschaltanordnung
über eine Zener-Diode an die Betriebsspannung zu legen, um - insbesondere bei asymmetrischen
Zuständen der beiden Kippzweige -
eine gleichbleibende Emittervorspannung zu erreichen.
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Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele, wobei zusätzlich anwendbare
Erfindungsmaßnahmen ersichtlich werden.
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In den Fig. 1 bis 5 sind Schaltelemente, die hinsichtlich ihrer Stelle
in dem grundsätzlichen Schaltungsaufbau einander entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Die vorkommenden Transistoren sind als vom pnp-Typ angenommen, bei Verwendung
von npn-Transistoren sind die Polaritäten entsprechend abzuändern.
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Sämtliche dargestellten Schaltungen enthalten zwei Transistoren T
1 und T2, im folgenden als Kipptransistoren bezeichnet, als Bestandteile eines Spannungsteiler-Netzwerkes
von allgemein bekanntem Grundaufbau, das außerdem die Kollektorwiderstände 3 und
4 und die weiteren Spannungsteilerwiderstände 5, 7 und 6,8 enthält und zwischen
den Spannungen 1 und +«, zwei elektrisch stabile Zustände einnehmen kann (bistabile
Kippschaltung). Zu diesem Zweck führt insbesondere ein Rückkopplungszweig von dem
Kollektorausgang jedes Transistors, Punkt 9 bzw. 10, über den Spannungsteilerwiderstand
5 bzw. 6 zu dem Basisanschlußpunkt des anderen Transistors. Durch Leitendwerden
etwa des Transistors T2 kommt Punkt 9 auf positiveres Potential, das an der Basis
von T1 eine zunehmende Sperrwirkung ergibt, wodurch wiederum das Potential an Punkt
10 negativer wird und das Leitendwerden des Transistors T2 weiterfördert, wodurch
das schnelle Umkippen der bistabilen Kippschaltanordnung in die stabile Lage: T2
leitend, T 1 sperrt, herbeigeführt wird, und umgekehrt. Bekanntlich ist es
auch
möglich, eine derartige bistabile Kippschaltung mit gleichstrommäßigen Rückkopplungen
und nur einem Transistor aufzubauen.
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Entsprechend dem Erfindungsgedanken wird nun,- um Schaltvorgänge
in Abhängigkeit von äußeren Großen; wie z. B. Lichteinfall, Temperatur, Schalldruck,
herbeizuführen, in das Spannungsteiler-Netzwerk ein elektrisch veränderliches Glied,
wie z. B. ein Fotowiderstand, eine Fotodiode, ein temperaturabhängiger Widerstand,
ein Mikrophon od. dgl., eingefügt, oder es werden mehrere derartige Glieder geeignet
eingesetzt. Diese Glieder können veränderliche- Widerstände sein oder auch selbst
Potential erzeugen, wie z. B. die Fotodiode. Durch Abstimmen des nach Maßgabe der
steuernden Größe veränderlichen Stromkreisparameters der Kippschaltung oder mehrerer
derartig veränderlicher Parameter mit den übrigen Parametern kann erreicht werden,
daß die beim Verändern sich ergebende Arbeitspunktverschiebung in der Schaltung
bei bestimmten Schwellwerten der steuernden Größe ein Umkippen aus einem stabilen
Zustand in den anderen herbeiführt. Die hierbei in dem Netz auftretenden sprungartigen
Stromveränderungen können zum Herbeiführen der gewünschten Schaltvorgänge benutzt
werden. Veränderliche Elemente der genannten Art können einzeln oder in Kombination
an die Stelle der Widerstände 5, 6, 7, 8 treten.
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In Fig. 1 ist beispielsweise angenommen, daß 5 ein derartiges steuerbares
veränderliches Glied sei, beispielsweise ein Fotowiderstand. Ist dieser unbelichtet,
so sorgt sein hoher Dunkelwiderstand dafür, daß die Basis des Transistors T1 auf
genügend positivem Potential gehalten wird, um ihn sicher zu sperren, wodurch Transistor
T2 leitend ist. Bei Belichtung nimmt der Widerstand von 5 ab. Ein vor den Emitter
von T2 gelegter Widerstand 11 sorgt dafür, daß das Potential am Punkt 9 negativer
ist als das Emitterpotential von T 1.
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Infolgedessen wird, wenn der Widerstand von 5 eine gewisse Schwelle
unterschreitet, das Basispotential des Transistors T 1 genügend negativ, so daß
dieser leitend wird und die Schaltung in den stabilen Zustand: Tl leitend, T2 gesperrt,
kippt. Wird der Widerstand von 5 wieder auf größere Werte gesteuert, so wird bei
Grenzwertüberschreitung das Potential an der Basis von Tl wieder genügend positiv,
um T1 zu sperren und T2 leitend zu machen, also die Schaltung in den anderen stabilen
Zustand überzuführen.
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Als elektrisch veränderliches Glied 5 kann beispielsweise auch eine
Fotodiode eingesetzt werden, die dann in Sperrichtung in den Stromkreis eingefügt
wird, wie die in Klammern vermerkten Polaritätszeichen angeben.
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Ihr Dunkelwiderstand sperrt den Transistor T1. Bei Belichtung gibt
sie Strom entsprechend der eingezeichneten Polarität ab und bringt durch Anlegen
negativen Potentials an die Basis von Transistor 1 diesen in den leitenden Zustand.
Beim Ab dunkel erfolgt wieder der umgekehrte Kippvorgang. Da jedoch der Strom durch
eine Fotodiode wohl von der Lichtstärke, in weitem Bereich aber von der angelegten
Spannung unabhängig ist und damit der Rückkopplungseffekt des Zweiges, in dem sie
liegt, hinfällig werden würde, ist - wie in gestrichelten Linien angegeben - im
Falle der Einschaltung eines solchen Elements bei 5 parallel zu diesem ein ohmscher
Widerstand 12 gelegt, der die eine Rückkopplung ermöglichende Gesamtcharakteristik
wiederherstellt.
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Der gestrichelte Pfeil, eingezeichnet beim Widerstand 6, der im anderen
Rückkopplungszweig dem Widerstand 5 entspricht, soll andeuten, daß hier ebenfalls
ein elektrisch veränderliches Glied, z. B. ein veränderlicher Widerstand, eingefügt
werden kann. In
diesem Falle erhält, wie ebenfalls gestrichelt angedeutet, auch der
Emitter von T 1 einen Vorwiderstand 13.
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Derart in zwei Zweige der bistabilen Kippschaltung eingefügte veränderliche
Glieder können zu Vergleichsmessungen - oder zur Auslösung von Schaltungen in differentieller
Wirkung benutzt werden oder auch komplementär sich gegenseitig unterstützen.
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Um bei den Arbeitspunktverschiebungen in der bistabilen Kippschaltung
eine gleichbleibende Spannung für die Emitter der Kipptransistoren ohne Einsatz
einer besonderen Spannungsquelle bereitzustellen, ist zwischen die Emitter und die
Klemme +ç6a eine Zener-Diode 14 in Sperrichtung eingeschaltet.
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In Fig. 2 ist ein veränderlicher Widerstand in Gestalt einer Fotowiderstandes
als Spannungsteilerwiderstand 7 in der bistabilen Kippschaltung eingefügt. Man erkennt,
daß auch hierbei durch Kleinersteuern dieses Widerstandes ein Kippzustand (T1 aus,
T2 ein) und durch Größersteuern der andere Kippzustand (T1 ein, T2 aus) herbeigeführt
werden kann. Es könnte statt dessen oder gleichzeitig auch 8 steuerbar veränderlich
gemacht werden.
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Um durch die Kippvorgänge Ein- oder Umschaltvorgänge herbeizuführen,
kann unter Umständen einer der Kollektorwiderstände 3 bzw. 4 selbst, als Relais
ausgebildet, benutzt werden. Außerdem ist es bekannt, die an den Punkten 9 bzw.
10 entstehenden Spannungssprünge auszunutzen, um von hier aus ein die Last steuerndes
Auskopplungsglied, insbesondere einen weiteren Transistor, anzusteuern. Jedoch wird
durch eine solche Auskopplung die Wirkungsweise der Kippstufe beeinflußt, die Rückkopplung
wird geringer und die bistabile Kippschaltung unempfindlicher. Die so angekoppelte
Last darf daher nicht beliebig niederohmig gemacht werden.
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Gemäß der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 bis 5 erfolgt die Auskopplung
aus einer bistabilen Kippschaltung in anderer Weise, nämlich dadurch, daß ein Auskoppeltransistor,
etwa T3 in Fig. 2, mit seiner Emitter-Basis-Strecke in Reihe mit der Emitter-Kollektor-Strecke
eines der Kipptransistoren, hier des Kipptransistors 2 liegt, wobei die Basis des
Auskoppeltransistors T3 mit dem Emitter des Kipptransistors 2 gleichstrommäßig verbunden
ist. Wenn der Transistor T2 leitend wird, so wird durch Stromansteuerung der Basis
von T3 auch dieser Transistor leitend und kann einen Stromweg von Erde zu einer
negativen Spannungsquelle zur über einen Lastwiderstand 15 schließen. Der Lastwiderstand
in dieser Leistungsstufe kann beliebig niederohmig gemacht werden, und die zulässige
Kollektorspannung in dieser Stufe ist nach oben nur durch die Grenzspannung des
verwendeten Transistors begrenzt, andererseits wird durch die Stromansteuerung des
Auskoppeltransistors in der angegebenen Weise der Strom des Kipptransistors praktisch
nicht beeinflußt und damit auch nicht das Kippverhalten der bistabilen Kippschaltung.
Ein Widerstand 16 dient zur Reststromunterdrückung. Er kann gegebenenfalls wegfallen,
wenn Widerstand 8 niederohmig genug gemacht werden kann.
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Natürlich ist es auch möglich, an die Emitter beider Kipptransistoren
Auskoppeltransistoren in der angegebenen Weise anzuschalten, wie in Fig. 3 dargestellt
ist.
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Die Auskoppeltransistoren sind hier mit T3 und T4 bezeichnet, ihre
Kollektorspannungen - und können verschieden gewählt werden. Die in weiten Grenzen
veränderbaren Lastwiderstände sind mit 15 und 16 bezeichnet. Zwecks Erhöhung der
Temperaturunempfindlichkeit kann für die Basen der Auskoppeltransistoren eine gesonderte,
feste, positive Vorspannung +s (<a) vorgesehen sein, jedoch ist dies nicht unbedingt
erforderlich.
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Wie in Fig. 4 und 5 dargestellt, ist es weiterhin auch möglich, die
so gebildeten Auskoppelstufen in die Kippschaltanordnung derart mit einzubeziehen,
daß der Rückkoppelzweig von der Basis des einen Kipptransistors, in Fig. 4 des Kipptransistors
T1, an den Kollektor des Auskoppeltransistors (hier T3) geführt ist, der am Emitter
des anderen Kipptransistors liegt. Der Ankoppelpunkt ist in Fig. 4 mit 17 bezeichnet.
Der unter Umständen wesentlich größere Spannungssprung an 17 (verglichen mit dem
Spannungssprung am Kollektor von T2) kann dazu dienen, die Kippgeschwindigkeit zu
erhöhen. Eine höhere Lastspannung -u3 kann gewählt werden, um gleichzeitig einen
bei 5 eingefügten veränderlichen Widerstand, etwa einen Fotowiderstand wie eingezeichnet,
in einem Bereich verhältnismäßig hoher Widerstandswerte in der früher geschilderten
Weise wirksam werden zu lassen, z. B. für Steuerungen mit geringer maximaler Helligkeit.
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In Fig. 5 ist eine bistabile Kippschaltung dargestellt, bei der zwei
Auskoppeltransistoren T3 und T4 vorgesehen und die Rückkopplungszweige für die Basen
beider Kipptransistoren T 1 und T2 bei 17 und 18 an die Kollektoren der Auskoppeltransistoren
T3 und T4 gelegt sind. Da die über T3 und T4 geschalteten Stufen hoch-oder niederohmig
ausgeführt werden können, kann bei Verwendung passender positiver Basisvorspannungen
der Eingangswiderstand der Schaltung entsprechend beliebig hoch- bzw. niederohmig
gemacht werden.
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PATENTANSPROCIIE: 1. Elektronischer Schwellwertschalter zur Durchführung
von Schaltvorgängen in Abhängigkeit von veränderlichen äußeren Zustandsgrößen (z.
B. Licht, Temperatur, Schalldruck usw.) unter Benutzung von Kippschaltelementen,
dadurch gekennzeichnet, daß in das Spannungsteilernetz einer an sich bekannten bistabilen
Kippschaltanordnung mit vorzugsweise Transistoren, das zwischen zwei festen Spannungen
zwei
elektrisch stabile Zustände einnehmen kann, ein durch die veränderlichen äußeren
Zustandsgrößen in seinem elektrischen Widerstand selbsttätig veränderbares Glied
derart eingefügt ist, daß Schwellwertdurchgänge der äußeren Zustandsgrößen ein Umkippen
von einem in den anderen stabilen Zustand herbeiführen.