DE1049912B - - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft Antriebsstromkreise, insbesondere eine Schaltungsanordnung für einen schnell ansprechenden Transistorantriebsstromkreis.

Bisher gab es Beschränkungen in bezug auf die Anwendbarkeit von Flächentransistoren für Impulsstromkreisbetätigungen auf Grund der wohlbekannten Tatsache, daß, wenn ein der Basis eines leitendien Transistors zugeführter Eingangsschaltimpuls einen Wert einnimmt, der den Transistor von einem leitenden in einen nichtleitenden Zustand überführt, die Anspreohzeit des Ausgangs in bezug auf den genannten Eingangsimpuls oft nicht mehr kurz genug ist. Dieses geringe Ansprechen ist die Folge der geringen Trägerspeicherzeit des Transistors, während welcher die gespeicherten, den B as isb ereich sättigenden Minderheitsträger weiterhin die gleichbleibende Amplitudenstufe des Ausgangsstromes zwischen dem Emitter und dem Kollektor aufweisen, nachdem der Basisschaltimpuls einen, den. Transistor auf den nichtleitenden Zustand zurückführenden Wert angenommen hat. .

Eine diese unerwünschte Transistorsättigung behandelnde Einrichtung siebt einen Widerstand in dem Basisstromkreis vor, der den Strom auf den gewünschten Wert begrenzt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß das Anordnen eines Widerstandes eine solche Sättigung nicht verhindern konnte, weil sich die Verstärkercharakteristiken der Transistoren bekanntlich im Laufe der Zeit infolge Al terns verschlechten. Diese ungünstige Eigenschaft der Transistoren macht es erforderlich, den Basiswiderstand so zu bestimmen, daß er einen übermäßigen Betrag des Basisstromes weiterleitet. Dieser Strom bewirkt, daß der Transistor gesättigt wird, so daß ausreichender Strom zwischen dem Emitter und dem Kollektor fließt/sobald die Verstärkungscharakteristik wertmäßig abgenommen hat.

Eine andere bekannte Einrichtung wiederum schaltet zur Überwindung der unerwünschten Transistorsättigung einen großen Kondensator mit dem Widerstand in dem Basisschaltkreis parallel. Dieser große Kondensator verringert die Trägerspeiclherzeit, indem die gespeicherten Minderheitsträger zu dem Zeitpunkt angezogen werden, wenn die abfallende Kante des Basisimpulses den Transistor durch Vorspannung in einen nichtleitenden Zustand zurückbringt. Da jedoch zur Erreichung dieser Wirkung ein großer Kondensator erforderlich ist, zieht er eine übermäßige Strombelastung in die Schaltquelle zu den Zeitpunkten, an denen die aufsteigende als auch die abfallende Kante des Basisschaltimpulses dem Transistor zugeführt werden.

Eine weitere bekannte Anordnung zur Behandlung unerwünschter Sättigung des Transistors besteht darin, daß der Kollektor des Transistors auf ein äußerstes Potential mit einem Pegel festgelegt wird, der eine Sättigung des Transistors ausschließt. Diese Transistorkippschaltung, in welcher

der Transistor in einem
ungesättigten Zustand gehalten wird

Anmelder:

The National Cash Register Company,
Dayton, Ohio (V. St. A.)

Vertreter: Dr. A. Stappert, Rechtsanwalt,
Düsseldorf, Feldstr. 80

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 8. Juni 1956

Anordnung bewirkt indessen insofern einen Energieverlust, weil der Basisstrom weiterhin bis zu einem Wert ansteigt, der eine Sättigung bewirken würde, handelte es sich nicht um den begrenzten Kollektor. Die Verstärkungscharakteristik bewirkt, daß der KoI-lektorstrom gleichfalls ansteigt, was sich in einem Ansteigen des in die festlegende Quelle fließenden .Stromes auswirkt.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die Erfindung eine Schaltungsanordnung vorsieht, die diese unerwünschte Sättigungseigenschaft der Transistoren durch Verwendung einer Rückkopplungsanordnung, die auf die Kollektorspannurig anspricht und den Basisstrom bei einem die Sättigung ausschließenden Werte unterhält, überwindet. Um zu verhindern, daß der Basisstrom auf einen Wert ansteigt, bei dem der Transistor jedesmal bei Zuführung eines Impulses auf seine Basis gesättigt wird, wird die Kollektorspannung mittels einer gleichrichtenden Diode einem Zwischenpunkt des Basiswiderstandes zugeführt. Der Spannungspunkt dieses Widerstandes ist so gewählt, daß, kurz bevor sich die Spannung des Kollektors derjenigen des Emitters nähert — bei welchem Wert also der Basisstrom das Bestreben haben würde, den Transistor zu sättigen —, wird der Diode Vorspannung zugeführt, so daß sie leitet und dadurch Strom vom Kollektor über den Baaiswiderstand zu der schaltenden Eingangsquelle liefert. Dadurch wird der vom

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Emitter aus der schaltenden Eingangsquelle zugeführte Strom auf einen Wert verringert, der keine Sättigung der Basis des Transistors zustande, bringt. Indem somit der Transistor an einer Sättigung gehindert wird, bewirkt die neuartige Rückkopplungseinrichtung in ausgezeichneter Weise eine-Verringerung der Träger Speicherungszeit des Transistors. Dadurch wird ermöglicht, daß die Antriebsimpulse durch den Transistor hindurch mit einer hohen Frequenzrate und mit scharf abfallenden Kanten, so wie es bei Anwendung von Impulsen erforderlich ist, geschaltet werden. Diese Einrichtung verhindert nicht nur, daß der Transistor gesättigt wird, sondern legt außerdem die Kollektorspannung an einem bestimmten Ausgangspegel fest. Wefter vermag bei dieseFEinrichtung der Basisstrom nicht anzusteigen, was wie bei der bekannten Kollektorbegrenzungsanordnung ' einen erhöhten 'Köllektorstrom zur Folge hätte, und der einzige Verlust an Emitter-Kollektor-Strom -erfolgt über den Rückkopplungsleiter. Es muß auch beachtet werden, daß dieser Stromkreis die Strombelastung, auf. die die Basis schaltende Quelle zu verringern sucht.

Demgemäß geht die Erfindung aus von einer Transistorkippschaltung, in welcher der Transistor in einem ungesättigten Zustand gehalten wird, so daß beim Ansprechen auf rechteckige Eingangsimpulse im wesentlichen rechteckige Ausgangsimpulse erzeugt werden mit einem in dem" Kollektorkreis liegenden Belastungswiderstand, einer..zwischen dem Kollektor und Emitter geschalteten .Vorspannungsquelle, einem in dem Eingangsstromkreis zu der Basis geschalteten Widerstand und einem mit dem Kollektor verbundenen Ausgangsstromkreis; sie ist dadurch gekennzeichnet, daß Rückkopplungsmittel·, -enthaltend eine zwischen dem Kollektor und einem Abgriffspunkt des Basiswiderstandes liegende Diode, vorhanden sind undi daß der" Abgriffspunkt derart "gewählt ist, daß, wenn die Spannung am Kollektor größer ist als diejenige am Abgriffspunkt, der vom Kollektor zur Basis zurückgeleitete Strom dazu dient,, den Basisstrom konstant auf einein Wert unterhalb des Sättigungsbereiches des Transistors zu halten. .;-

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 ein Schema des bevorzugten Ausführungsbeispiels des Transistorantriebsstromkreises,

Fig. 2 ein Wellenform-Zeitdiagramm zur Erläuterung der Funktion des Antriebsstromkreises,

Fig. 3 eine graphische Darstellung einer sich auf die Kollektorspannung des Transistorantriebsstromkreises zu dessen Basisstrom beziehenden Kurve.

Wie es Fig. 1 erkennen läßt, weist der Steuerstromkreis des bevorzugten Ausführungsbeispiels einen mit einer geerdetem Emitteranordnung verbundenen p-n-p-Flächentransistor 11 auf. Ein Emitterleiter 12 verbindet den Transistor 11 mit dem geerdeten positiven Pol einer Batterie 31. Ein Kollektoiieiter 15 verbindet den Transistor 11 über einen Widerstand 14 mit dem negativen Pol der Batterie. Mit dem Kollektor leiter 15 ist bei einem Verbindungspunkt 29 auch ein Ausgängsleiter 17 sowie ein Rückkopplungsleiter 25 verbunden, welcher wiederum den Kollektor des Transistors 11 an einen auf einem Basiswiderstand 19 mittels einer Diode 16 angeordneten beweglichen Abgriff 28 anschließt. Ein Basiseingangsleiter 13 ist mit der Basis des Transistors 11 über einen Basiswiderstand 19 und einen parallelen Kondensator 21 verbunden.

Ein Transistor kann als Schalter verwendet werden, weil er den Fluß eines großen Emitter-zum-Kollektor-Stromimpulses mittels eineskleinen, durch seine Basis fließenden Stromimpulses steuert. In diesem Schaltstromkreis wird der Transistor 11 zum Steuern des Stromflusses durch einen an einem Pol 22 liegenden Widerstand verwendet. Der Transistor 11, der dem p-n-p-Typ angehört, leitet nur dann, wenn seine Basis und sein Kollektor in bezug auf seinen geerdeten Emitter in bekannter Weise mit negativer Vorspannung versehen werden. Unter dem Ansprechen auf das Abfallen der aufsteigenden Kante einer negativ verlaufenden Eingangswellenform 23 leitet der Transistor 11 Strom von dem Emitterleiter 12 aus zu dem Kollektorleiter 15 und zu dem negativen Potential in der Batterie 31 über den Widerstand 14, Dieser Strom, der durch den Widerstand 14 fließt, bewirkt das Ansteigen der Vorderkante einer positiv laufenden AusgangsweMenform 24 auf dem Ausgangsleiter 17.

Es ist für die gezeigten Transistoreinrichtungen kennzeichnend, daß, wenn sie in einen leitenden Zustand gebracht werden, sich der Spannungsabfall über den Emitter und den Kollektor 0 V nähert, weil der

• Basisstrom auf einen derartigen Wert ansteigt, daß die Basis des Transistors mit gespeicherten Minderheitsträgern gesättigt wird. Dieser gesättigte Zustand bewirkt dann, wenn ein Basisschaltimpuls angelegt wird, der den Transistor auf einen nichtleitenden Zu-

, .. stand bringt, daß die abfallende Kante des Ausgangsimpulses wegen der langen Trägerspeicherzeit des Transistors sehr langsam fällt. Wie bereits erwähnt, stellt diese Trägerspeicherzeit diejenige Periode dar, während welcher die gespeicherten Minderheitsträger weiterhin Emitter-zum-Kollektor-Strom mit der gleichbleibenden Ampli.tudenstufe des Ausgangsimpulses führen, nachdem der Basisschaltimpuls einen Wert angenommen hat, welcher durch Vorspannung den Transistor von einem leitenden in einen nichtleitenden Zustand überführt. Somit verhindert die verzögerte Abfallzeit der abfallenden Kante des Ausgangsimpulses, die durch die genannte Trägerspeicherzeit bewirkt wird, daß der Einschwingvorgang des Impulses an dem Avisgang zu dem gleichen Zeitpunkt auftritt, an

... welchem der Einschwingvorgang des Basiseingangsimpulses wirksam ist.

Die Wirkung des erfindungsgemäßen Stromkreises auf den Zeitraum, der für den Ausgang zum Ansprechen auf die abfallende Kante des Eingangsimpulses erforderlich ist, kann deutlich aus den Fig. 2 und 3 entnommen werden. Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm der Eingangswellenform 23 und der Ausgangswellenform 24, während Fig. 3 eine graphische Darstellung des kennzeichnenden Verhältnisses der Kollektorspannung und des Basisstromes für einen an einer geerdeten Emitteranordnung angeschlossenen p-n-p-Transisto.r darstellt.

Wie es Fig. 2 erkennen läßt, fällt die Eingangswellenform 23 zu dem Zeitpunkt t₁ auf — 10 V ab, . bringt den Transistor 11 durch Vorspannung in einen leitenden Zustand und bewirkt, daß die ansteigende Kante der Ausgangs wellenform 24 von — 10 V aus ansteigt und sich dem Nullspannungspegel nähert. Die Kurve C der Fig. 3 läßt erkennen, daß, wenn die Kollektorspannung V _c auf dem Transistor in seinem Anstieg auf — 4 V, welche unterhalb der Sättigungsgrenze vom — 1 V ist, begrenzt wird, beispielsweise der Basisstrom I_b daran gehindert wird, zu einem Wert wie z. B. an einem Punkt 39 der Kurve C anzusteigen, bei welchem der Transistor mit gespeicherten Minderheitsträgern gesättigt ist, Wie es Fig. 2 erkennen läßt, beschreibt eine gestrichelte Ausgangswellenform 36 den Ausgang eines Transistors, wenn dem Basisstrom desselben ein Ansteigen auf den Sättigungspunkt 39

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der Fig. 3 gestattet wurde. Wegen dieser Sättigung zu befinden braucht, hat der Teil des Widerstandes 19' der Basis des Transistors spricht der Ausgang nicht zwischen dem Abgriff 28 und dem Eingangspol 20 auf das Ansteigen der Eingangswellenform 23 zum einen genügend starken Widerstandswert zwecks BeZeitpunkt i₂ an und wird sogar bis zum Zeitpunkt t_s grenzung des Rückkopplungsstromes auf einen kleinen verzögert. Die Ausgangswellenform 24 beschreibt den 5 Betrag.

Ausgang eines Transistors, wenn dessen Basisstrom Die Ausgangswellenform 24 unterhält diese gleichbegrenzt wurde, so daß er die Basis nicht sättigen bleibende Zustandsspannung von — 4 V, bis die Einkann. Da sich die Ausgangswellenform 24 auf dem gangswellenform 23 auf 0 V ansteigt, wobei dieser Ausgang eines ungesättigten Transistors befindet, tritt Zustand den Transistor 11 unter Vorspannung in einen deren abfallende Kante gleichzeitig mit dem Anstieg io- nichtleitenden Zustand versetzt. Da der ungesättigte der Eingangswellenform 23 auf. Die Periode i₂ bis i₃ Transistor 11 nur eine sehr kurze Trägerspeicherungsist die Trägerspeicherzeit, welche durch gespeicherte zeit hat, beginnt die Abstiegskante der Ausgangswel-Minderheitsträger bewirkt wird, die in die Basis ein- lenforrh 24 zu dem gleichen Zeitpunkt abzufallen, an treten, sobald der Basisstrom auf den Sättigungspunkt dem die Abstiegskante der Eingangswellenform 23 auf 39 der Fig. 3 ansteigt. 15 0 V ansteigt. Die Ausgangswellenform 24 fällt dann

Die vorliegende Erfindung verhindert eine^Sätti-. ' jäh ab auf — 10 V, weil der Kondensator 21 einige

gung, das ist eine Verringerung der Trägerspeicher- . Träger von der Basis des Transistors 11 her anzieht,

zeit des Transistors, indem ein Rückkopplungsstrom- Es ist zu beachten, daß der Kontaktpunkt 28 ent-

kreis verwendet wird, welcher den Basisstrom steuert, lang dem abgegriffenen Widerstand 19 verstellbar ist,

den Transistor ungesättigt läßt und die Kollektor- 20 so daß die Kollektorspannung auf jeden gewünschten

spannung bei einem erwünschten Pegel unterhält, wo- oberen Begrenzungspegel einstellbar ist. Da die KoI-

bei die Kollektorspannung eine Funktion des Basis- lektorspannung derart gesteuert wird, daß sie nicht

stromes darstellt. unter einen gewünschten Wert fällt, werden der Basis-

Wie bereits beschrieben, beginnt, sobald die an- strom und die Kollektorspannung mit einiger Unab-

steigendie Kante der Basiseingangswellenform 23 auf 25 hängigkeit von der Transistor-Verstärkungsöharakte-

— 10 V abfällt und der Strom durch den Widerstand ristdk β aufrechterhalten. Die Charakteristik β wird 14 zu fließen beginnt, die ansteigende Kante der Aus- als das Verhältnis der Veränderung des Kollektorgangswellenform 24 von — 10V aus, welches die Span- stromes unter Veränderung des Basisstromes definiert, nung des negativen Pols der Batterie 31 ist, auf 0 V was in der Technik bekannt ist. Ergibt sich eine eranzusteigen. Wie es bereits in der Technik bekannt ist, 30 wünschte Kollektorspannung von einem Transistor läßt der Kondensator 21 einen starken anfänglichen her mit einer einen festen Widerstand steuernden Strom in die Basis des Transistors 11 einfließen, was /^-Charakteristik, so läßt dieser Stromkreis zu, daß ein bewirkt, daß die Ausgangswellenform 24 diese scharfe Transistor mit einer höheren ^-Charakteristik ver-Anstiegszeit aufweist. Gleichzeitig ist, sobald die an- wendet wird, solange sowohl die erwünschte Kolleksteigende Kante der Ausganigswellenform 24 ansteigt, 35 torspannung als auch der erwünschte Kollektorstrom die Spannung am verstellbaren Abgriff 28 auf etwa aufrechterhalten werden und die Sättigung eines der unterhalb des Nullspannungspegels eingestellt, was verwendeten Transistoren verhindert wird. Zur Erjeweils von der Stellung des Abgriffs 28 auf dem reichung dieses Ergebnisses ward der den Basiswider-AViderstand 19 abhängt. Steigt die Spannung am Ver- stand 19 steuernde Strom dazu bestimmt, ausreiehenbindungspunkt 29 auf eine diese Spannung am Abgriff 4° den Strom durchzulassen, so daß der erforderliche 28 überschreitende Spannung an, so wird der Diode 16 Emitter-Kollektor-Strom in diesem gesamten Bereich eine Vorspannung zugeführt, wodurch sie leitend wird, der Transistor-Verstärkungscharakteiristiken geliefert während Strom vom Verbindungspunkt 29 aus über wird. Eben wegen dieser Unabhängigkeit des Traneinen Rückkopplungsleiter 25 zu einem Eingangspol sistors β hält dieser Stromkreis einen Transistor 20 fließt. Da sowohl dieser Rückkopplungsstrom als 45 außerhalb einer Sättigung,, wobei doch ein erforderauch der parallele, durch die Basis des Transistors 11 licher Emitter-Kollektor-Strom trotz des Abnehmens zum Pol 20 fließende Strom durch den gemeinsamen der Verstärkungscharakteristiken des Transistors inTeil des Widerstandes 19 zwischen dem Abgriff 28 folge Alterns geliefert wird.

und dem Pol 20 geht, wird der durch die Basis des Wie bereits erwähnt, muß der Kondensator 21 nur Transistors 11 fließende Strom an einem Ansteigen 5° stark genug sein, so daß er die Frequenzansprechbargehindert. Da es für einen Transistor kennzeichnend keit des Transistors erhöht, weil er nicht in erster ist, daß dessen Emitter-zur-Kollektor-Impedanz und Linie zum Entfernen gespeicherter Minderheitsträger die sich ergebende Kollektorspannung Funktionen des gebraucht wird. Außerdem ist nur ein geringer Betrag Basisstromes sind, legt der verhinderte Anstieg des von Rückkopplungsstrom von dem Kollektor her er-Basisstromes die Kollektorspannung in wirksamer 55 forderlich, so daß er in die Eingangsquelle dieses neu-Weise an dem gewünschten Pegel fest. Es dürfte nun- artigen Stromkreises einfließen kann, was eine nur gemehr zu erkennen sein, daß der Abgriff 28 so einge- ringe Strombelastung, die von der Eingangsquelle am stellt wird, daß die Diode 16 unter Vorspannung lei- Pol 20 geführt wird, und nur einen geringen Verlust tend wird, bevor der Basisstrom einen Pegel erreicht, von Emitter-Kollektor-Strom zur Folge hat.
der die Basis des Transistors 11 mit Minderheitsträ- 60 Es versteht sich, daß die Rüekkopplungseinrichtung gern sättigen würde. Somit wird der Transistor 11 zum Überwinden des Problems der Transistorsättidaran gehindert, in einen gesättigten Zustand überzu- gung durch die Verringerung der Trägerspeicherzeit gehen, was zum Ergebnis hat, daß die Kollektorspan- des Transistors auf eine sehr kurze Zeitperiode viele nung nicht auf 0 V ansteigt, sondern bei — 4 V ver- nützliche Verwendungen nicht nur in Antriebsstrombleibt, welches wiederum die Spannung darstellt, auf 65 kreisen darbietet und daß die Erfindung hierauf auch welche der Abgriff 28 verstellt wurde, damit die Diode nicht beschränkt sein soll. Es ist auch zu erkennen, 16 in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel leitend daß, obwohl ein p-n-p-Transistor zur Erläuterung der werden kann. Da die Spannung am Abgriff 28 sich nur Erfindung verwendet wurde, diese Einrichtung eines etwas unter der gewünschten Kollektorspannung von Rückkopplungsstromkreises auch auf n-p-n-Flächen-

— 4 V zwecks Herbeiführung des Leitens der Diode 16 70 transistoren durch Umkehrung der Emitter-zur-Kol-

lektor-Polarität anwendbar ist, indem die Polarität der die Basis vorspannenden Quelle, die den Pol 20 speist, ebenso wie die Diode 16 umgekehrt werden.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Transistorkippschaltung, in welcher der Transistor in einem ungesättigten Zustand gehalten wird, so daß beim Ansprechen auf rechteckige Eingangsimpulse im wesentlichen rechteckige Ausgangsimpulse erzeugt werden, mit einem in dem Kollektorkreis liegenden Belastungswiderstand!, einer zwischen dem Kollektor und Emitter geschalteten VorspannungsqueUe, einem in dem Eingangs-

   kreis zu der Basis geschalteten Widerstand und einem mit dem Kollektor verbundenen Ausgangsstromkreis, dadurch gekennzeichnet, daß Rückkopplungsmittel, enthaltend eine zwischen dem Kollektor (15) und einem Abgriffspunkt (28) des Basiswiderstandes (19) liegende Diode (16) vorhanden sind und daß der Abgriffspunkt (28) derart gewählt ist, daß, wenn die Spannung am Kollektor größer ist als diejenige am Abgriffspunkt (28), der vom Kollektor zur Basis zurückgeleitete Strom dazu dient, den Basisstrom konstant auf einen Wert (0,4 V) unterhalb des Sättigungsbereiches (39) des Tranistors zu halten.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   SdQ 7A8/10K 1 SQ