DE1130500B - Steuerkreis mit Multivibrator - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 21 c 46/31

INTERNATIONALE KL.

G05f;g

N15051 VIUb/21 c

ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT.

6. MAI 1958

0. MAI 1962

Die Erfindung betrifft einen Steuerkreis mit Multivibrator, der aus zwei in Multivibratorschaltung geschalteten Transistoren und einem mit der Kollektorelektrode eines dieser Transistoren verbundenen Schalttransistor besteht.

Zur Erzeugung von Spannungs- bzw. Stromimpulsfolgen können bekanntlich Multivibratoren verwendet werden. Dabei kann durch geeignete Wahl der Bauelemente des Multivibrators sowohl die Impulsdauer als auch die Impulshäufigkeit eingestellt werden. Es ist bereits eine Schaltungsanordnung bekannt, bei welcher ein mit Röhren bestückter Multivibrator zur Steuerung einer Blinklampe verwendet wird. Es gehört weiterhin zum Stande der Technik, Transistoren als elektronische Schalter in Multivibratorschaltungen, in Steuer- und Regelgeräten usw. zu verwenden. Beispielsweise kann mit Hilfe eines Schalttransistors durch sehr kleine Stromimpulse ein großer Strom geschaltet werden, durch den dann wiederum ein Relais oder Zählwerk ausgelöst werden kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Steuerkreis, der aus zwei in Multivibratorschaltung geschalteten Transistoren und einem mit der Kollektorelektrode eines Transistors verbundenen Schalttransistor besteht, derart auszugestalten, daß die Erzeugung von Impulsen unterbrochen wird, wenn ein bestimmter physikalischer Parameter, beispielsweise Temperatur oder Lichtintensität, einen bestimmten Schwellwert übersteigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen die Basiselektroden der beiden Transistoren des Multivibrators eine Steuersonde geschaltet wird, die in Abhängigkeit von einem physikalischen Parameter eine EMK erzeugt, welche oberhalb eines gegebenen Schwellwertes die Transistoren der Multivibratorschaltung in einen stabilen Zustand vorspannt. Die Steuersonde kann beispielsweise ein Photoelement oder Thermoelement sein.

Ein mit einem Photoelement bestückter Steuerkreis nach der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft zur Steuerung einer batteriegespeisten Blinkanlage verwendet werden, die nach Tagesanbruch abgeschaltet und bei Einbruch der Dunkelheit angeschaltet werden soll. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann der Energieverbrauch einer Blinkanlage herabgesetzt werden, was sich besonders vorteilhaft bei auf abgelegenen Bojen installierten Blinkanlagen auswirkt. Außerdem wird die Zuverlässigkeit der Blinkanlage gesteigert, da auch bei Ausfall des Photoelementes die Anlage weiterblinkt.

Steuerkreis mit Multivibrator

Anmelder:

National Research Council,
Ottawa (Kanada)

Vertreter: Dipl.-Ing. M. Licht, Patentanwalt,
München 2, Sendlinger Str. 55

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 6. Mai 1957 (Nr. 657 365)
und Kanada vom 28. August 1957 (Nr. 735 462)

Henry Lyall Ross Smyth, Ottawa (Kanada),
ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung wird nun bei einer Blinkanlage an Hand der Zeichnungen näher beschrieben, in denen zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines unter Verwendung des erfindungsgemäßen Steuerkreises aufgebauten Blinklampenkreises,

Fig. 2, 3 a und 3 b graphische Darstellungen zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltung,

Fig. 4 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform eines Blinklampenkreises,

Fig. 5 und 6 Schaltbilder von weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Steuerkreises.

Der Multivibrator in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist mit zwei pnp-Transistoren TR1 und TR 2 bestückt. Mit dem an der Kollektorelektrode des Transistors TR 2 auftretenden Ausgangssignal des Multivibrators wird ein Schalttransistor TR3 gesteuert. Befindet sich der Transistor TR 2 im Sperrzustand, dann leitet der Schalttransistor TR3. Im Kollektorkreis des Schalttransistors TR3 liegt die Spule eines Relais M, das zum Ein- und Ausschalten einer Lampe 12 dient. Befindet sich der Transistor TR 3 im Durchlaßzustand, dann wird durch den hindurchgehenden Strom die Relaisspule erregt und der normalerweise am Kontakt 11 anliegende Kontakt 10 zurückgezogen, wodurch der Lampenkreis unterbrochen wird.

Erfindungsgemäß ist nun ein dem Tageslicht, nicht aber dem von der Lampe 12 stammenden Licht aus-

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gesetztes Photoelement 30 mit seiner negativen Klemme an der Basis des Transistors TR1 und mit seiner positiven Klemme an der Basis des Transistors TR2 angeschlossen. Solange die Intensität des auf das Photoelement 30 fallenden Lichtes unterhalb eines vorbestimmten Pegels liegt, liefert das Photoelement kein Ausgangssignal und beeinflußt deshalb auch nicht die Vorspannung einer der beiden Basiselektroden. Der in Reihe mit dem Element 30 gezeigte Widerstand R14 kann der Eigenwiderstand des Elementes sein; es kann sich aber auch um einen zusätzlich eingeführten Widerstand handeln, der den Dunkelwiderstand des Multivibrators erhöht. Bei Tageslicht oder solange das auf das Element fallende Licht eine Stärke von beispielsweise über 100 Lux hat, wird durch die EMK des Elementes die Basiselektrode des Transistors TR1 in Durchlaßrichtung und die Basiselektrode des Transistors TR 2 in Sperrrichtung vorgespannt, so daß der Schalttransistor Ti? 3 sich im Durchlaßzustand befindet und die Lampe 12 stromlos ist, da die Wicklung des Relais M erregt und die beiden Kontakte 10 und 11 voneinander getrennt sind.

Fällt die Intensität des Tageslichtes unter einen vorbestimmten Pegel, dann sinkt die Ausgangsspannung des Elementes 30 unter den Schwellsteuerwert des Multivibrators ab, und der Kippvorgang des Multivibrators setzt wieder ein. Zur Stillsetzung des Multivibrators reicht eine Zellenspannung von weniger als 100 Millivolt aus.

Man kann sich die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Steuerkreises am besten vorstellen, wenn man annimmt, daß der Kreis plötzlich durch Anlegen von Spannungen in Betrieb genommen wird. Die Betriebsspannungen für den Steuerkreis können beispielsweise von einer Batterie entnommen werden, zwischen deren positiver Klemme 13 und negativer Klemme 14 die Blinklampe 12 liegt. Der Widerstand R1 im Kollektorkreis des Transistors TR1 hat im wesentlichen den gleichen Wert wie der Widerstand R6 im Kollektorkreis des Transistors TR2. Die Kapazität des Kondensators Cl ist einige Male größer als diejenige des Kondensators C 2. Beim Anlegen der Spannungen fließt daher im ersten Augenblick in jedem Transistor ein Basisstrom. Der Stromfluß durch R2 und Cl übernimmt jedoch die Steuerung, während der Basisstrom des Transistors TR 2 schnell abklingt und ganz aufhört, bis der Kondensator Cl auf einen bestimmten Bruchteil der Batteriespannung aufgeladen ist. Zu dieser Zeit fällt der Basisstrom des Transistors TR1 auf einen niedrigeren Wert ab. Der Kondensator C 2 beginnt sich nun aufzuladen, und infolge des Potentialanstieges am kollektorseitigen Ende des Widerstandes R1 fällt der durch diesen Widerstand fließende Basisstrom sehr schnell auf Null ab. In diesem Stadium befindet sich der Transistor TRl im Sperrzustand und der Transistor TR 2 im Durchlaßzustand. Das Potential am kollektorseitigen Ende des Widerstandes R 6 ist daher im wesentlichen gleich dem positiven Batteriepotential, und der Transistor TR 3 wird in den Sperrzustand übergeführt. Dadurch wird die Wicklung des Relais M stromlos und die Lampe 12 eingeschaltet. Da der Kondensator C 2 kleiner ist, befindet sich der Transistor TR 2 nicht so lange im Durchlaßzustand wie der Transistor TR1. Der Sperrzustand des Transistors TR3 dauert also nicht so lange wie sein Durchlaßzustand. Im Durchlaßzustand des Transistors TR 3 ist die Lampe 12 stromlos. Der vorher aufgeladene Kondensator C1 entlädt sich durch die Widerstandskette R1, R 3 und R 6, während sich C 2 auflädt. Der Ladestrom des Kondensators C 2 hat die gleiche Richtung wie der Entladestrom des Kondensators Cl durch den Widerstand Al. Wenn daher das Potential an jedem Kondensator gleich ist, wird durch die weitere Entladung TR2 in den Sperrzustand übergeführt, und C1 beginnt sich aufzuladen.

ίο Der Multivibrator arbeitet in der beschriebenen Weise weiter, wobei sich der Transistor TR1 am längsten im Durchlaßzustand befindet. Die Dauer des von der Lampe 12 erzeugten Lichtblitzes kann durch Einstellung von Cl und R3 verändert werden, während die Dauer des stromlosen Zustandes eine Funktion der Werte C 2 und R 4 ist. In Reihe zum Widerstand R 4 liegt ein etwas kleinerer Regelwiderstand R 8, mit dem die Dauer des stromlosen Zustandes der Lampe 12 eingestellt werden kann. Die Widerstände R 2 und RS haben einen verhältnismäßig geringen Wert und schützen die Transistoren vor den beim Kippen der Schaltung auftretenden Spannungsstößen. Zum Schutz des Transistors CR 3 dient der Widerstand R 7, der einen geringeren Widerstandswert als der Widerstand R 2 oder R 5 hat. Die stromlose Zeit der Lampe 12 kann wesentlich durch Erhöhung des Widerstandswertes von Rl erhöht werden. Extreme Temperaturänderungen können dadurch kompensiert werden, daß niedrige Kollektor- und Vorspannungswiderstände verwendet werden und die Vorspannungswiderstände R3, R4, R8 nicht an die Sammelschiene, sondern unmittelbar an die entsprechende Kollektorelektrode zurückgeleitet werden. Es ist auf diese Weise möglich, die Impulsfolge und die Impulsdauer über einen Temperaturbereich von —40 bis +40° C konstant zu halten und auch über diese Grenzen hinaus noch einen ausreichenden Betrieb zu gewährleisten.
Der Widerstand und die Arbeitsstromcharakteristik des Relais M sind so gewählt, daß eine Leistung von einigen Milliwatt ausreicht, um die Kontakte 10 und 11 geschlossen zu halten, und daß zur Trennung der Kontakte ein Stromunterschied in der Größenordnung von Bruchteilen eines Milliamperes genügt.

Fig. 2 gibt im Schaubild die Beziehung zwischen dem durch die Widerstände R 4 und R 8 gebotenen Gesamtwiderstand und der durch den Kreis hervorgebrachten Blitzzahl je Minute wieder. Die ausgezogene Linie 15 erstreckt sich über einen Bereich, in welchem die Einstellung der Blitzgeschwmdigkeit vorzugsweise durch Widerstandssteuerung bei allen normalerweise wahrscheinlich auftretenden Außentemperaturen erledigt wird. Die gestrichelte Linie 16 erstreckt sich über jenen Teil des Bereiches, in welchem der Kältebetrieb dazu neigt, bei großen Werten des erforderlichen Widerstandes unstabil zu werden; daher zieht man vor, die niedrigen Geschwindigkeiten durch Veränderung der Größe von Cl zn erreichen. Bei diesen langsameren Blitzfolgen wird die Summe von A4 und R8 relativ niedrig gehalten, und Cl kann ganz beträchtlich gesteigert werden.

In Fig. 3 a und 3 b ist der Spannungsverlauf in Abhängigkeit von der Zeit an den Kollektoren von TR 2 und TRl dargestellt. Aus dem Sperrzustand erhebt sich das Potential steil bei 19 auf etwa den vollen positiven Wert und bleibt stetig bei 18. Oberhalb eines bestimmten, bei 21 angedeuteten Pegels fällt der Relaisstrom durch TR 3, um die Kontakte 10

Claims (8)

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   und 11 zu schließen, wodurch die Batterie zum Energie in einer Geschwindigkeit verzehrt, die das

   Zünden der Lampe angeschlossen wird. Sobald C 2 Überladen in irgendeiner langen Betriebszeitspanne

   sich zu entladen beginnt, fällt der Kollektor von Ti? 2 verhindert, und nicht so tief liegt, daß die Zelle

   schnell auf den negativen Zufuhrwert und verbleibt beschädigt würde.

   stetig, wie es durch den Teil 17 angedeutet ist. Die 5 Während die Ausführungsform nach Fig. 4 unter

   langsam ansteigende Potentialkurve 22 des Kollek- Einschluß einer Stufe TR 4 beschrieben worden ist,

   tors von TRl beruht auf der begrenzten Ladezeit kann die Endstufe mit ihren Basiselektroden wider-

   von Cl über seine Ohmsche Reihenladeschaltung standsmäßig durch Anschluß des unteren Endes von

   und endet bei 23, wenn TR2 anläuft und C2 be- 2? 12 an den Kollektor des Schalttransistors Ti?3 anginnt, sich zu laden. Das Kollektorpotential von TR1 io gekoppelt werden, wobei die Schaltarbeitsweise im

   fällt steiler von dem vollen positiven Wert längs der wesentlichen so verläuft, wie zuvor umrissen, beson-

   Kurve 24 ab und endet bei einem geringeren posi- ders wo TR 3 mit einem relativ hohen Kollektorstrom

   tiven Pegel bei 25, wenn TRl wieder leitend wird. gewählt wird, der eine angemessene Steuerung der

   Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind keine Basisströme einer Gruppe von größeren Endstufenbeweglichen Kontakte vorhanden. Die Kontakte 10 15 transistoren gestattet.

   und 11 sind durch eine weitere Transistorschaltstufe In den Fig. 5 und 6 sind weitere Ausführungs- TR 4 ersetzt. Diese steuert die Basisströme von formen gezeigt. In Fig. 5 ist ein Paar von Elementen parallelen Transistoren 77?5, TR6.. .TRn. 30 mit etwa ähnlichen Charakteristiken der Aus-Bei dieser Ausführung ist die Basis des Transistors gangsspannung in Abhängigkeit vom einfallenden TR 4 mittels eines niederohmigen Widerstandes R 9 20 Licht parallel zu den Basisvorspannwiderständen von an den Kollektor des Schalttransistors TR3 ange- TRl und TR2 geschaltet, wobei der negative Pol koppelt, dessen BelastungR10 ist. Wenn sich TR3 des mit Rl parallel geschalteten Elementes an die auf Sperrung stellt, zieht TR 4 Basisstrom durch R 9 Basis von TR1 und der positive Pol des mit R S und i?10, und das Potential des Emitterendes von parallel geschalteten Elementes an die Basis von TR 2 RU wird durch den Stromfluß in TR4 über RU 25 angeschlossen ist. In Abhängigkeit von dem er- und R12 negativ gehalten. Strom fließt durch den wünschten Lichtschwellwert, bei dem man den Multikleinen Widerstand R12 aus den Basiselektroden vibrator stillzusetzen wünscht, kann ein einzelnes der parallel geschalteten Gruppe Ti? S, TR 6 ... TR η Element wie beschrieben an R 5 angeschlossen weraus. Da also diese Transistoren stark vorgespannt den, um TR2 unter Tageslicht gesperrt zu halten, sind, stellen sie den geschlossenen Kreiszustand für 3° In Fig. 6 ist ein einzelnes Element gezeigt, das zwiden Kreis des Lampenfadens 12 her, so daß dieser sehen den Enden der Basiswiderstände R 2 und R 5 leuchtet. Wenn TR 4 beim Anlaufen von TR1 und liegt und dessen negativer Pol an die Basis von TR1 TR3 vorgespannt wird, steigt das Potential der angeschlossen ist. Mit einer handelsüblichen Type Basiselektroden der Gruppe TR 5, TR6 .. .TRn an, des spannungserzeugenden Selenelementes wurde be- und der Basisstrom fällt auf einen niedrigen Wert, 35 obachtet, daß der Dunkelwiderstand hoch war und so daß der Blinkkreis ausgeschaltet wird. bei vollem Sonnenlicht relativ niedrig wurde, so daß Der Basisstrom in der Endstufe der Ausführungs- das Element keine Wirkung auf die Zeitschaltung form nach Fig. 4 kann weiter gesenkt werden und der während der Dunkelheitsstunden hatte, sondern den Kollektorstrom auf einen vernachlässigbaren Wert Kreis auf einen stabilen Zustand unter Beleuchtung gebracht werden durch Benutzung der zwischen- 40 in der Größenordnung von 120 Lux bei jeder der geschalteten Vorspannzelle 26 mit dem Nebenwider- veranschaulichten Schaltungen absperrte, stand 13. Verbesserte Lebensdauer der Batterie ergibt Es ist unwesentlich, ob die Natur der Beleuchtung sich aus der Zwischenschaltung von solchen Hilfs- Licht- oder Wärmestrahlung ist, vorausgesetzt, daß Vorspannmitteln mit Transistoren solcher Charakte- das ansprechende Element fähig ist, Spannung zu ristiken im Vergleich mit einem Schaltkreis, der keine 45 erzeugen, die in irgendeiner Beziehung zur Intensität Vorspanneinrichtung enthält. Im Blinkzustand, wenn der einfallenden Strahlung steht. Beispielsweise Strom durch die Basiselektroden der Schaltgruppe könnte auch ein Thermoelement verwendet werden. TR S, TR 6 ... TR η gezogen wird, lädt sich die Vor- Im allgemeinen kann jede Sonde, die in Abhängigkeit spannbatterie, die vorzugsweise eine spannungs- von einem Umgebungsparameter eine EMK erzeugt, erzeugende Einrichtung mit geringem Energie- 50 in ähnlicher Weise verwendet werden, um eine Voraufnahmevermögen ist, auf ihr volles Vorspann- Spannungswirkung auf die Basiselektroden der Tranpotential auf. Während der Ausschaltzeit ist der sistoren in einer Multivibratorzeitsteuerang auszu-Basisstrom sehr erheblich unter den Wert gesenkt, üben.

   den er ohne die Vorspannzelle 26 haben würde, und Der erfindungsgemäße Steuerkreis kann natürlich

   zwar dank der Gegenspannung, mit dem Ergebnis, 55 auch zur Steuerung von anderen Nutzlastkreisen ver-

   daß eine Ersparnis an Basisstrom erzielt wird. Die wendet werden. Die Erfindung ist daher nicht auf

   Vorspannzelle wird vorteilhaft mit Transistoren be- Blinkanlagen beschränkt, nutzt, die nicht von sich aus genügend niedrige

   Ströme im Vorspannstadium haben, bei dem die PATENTANSPRÜCHE: Basis auf Emitterpotential liegt. 60 1. Steuerkreis mit Multivibrator, bestehend aus Als weiteres Ergebnis ist die Schalttransistorgruppe zwei in Multivibratorschaltung geschalteten Trander vollständigen Absperrung besser angenähert als sistoren und einem mit der Kollektorelektrode bei Abwesenheit der Zelle. Dadurch wird ein Rest- eines dieser Transistoren verbundenen Schaltstrom, der bestrebt wäre, im Lampenfadenkreis zu transistor, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen fließen und für gewöhnlich um ein Vielfaches über 65 die Basiselektroden der beiden Transistoren (TR 1 den Restbasisstrom anzuwachsen, am Fließen ver- und TR 2) eine Steuersonde (30) geschaltet ist, die hindert. Der Nebenwiderstand R13 ist mit einem in Abhängigkeit von einem physikalischen solchen Wert gewählt, daß er die angesammelte Parameter eine EMK erzeugt, welche oberhalb

   dadurch (30)

   ein

   dadurch (30)

   em

   dadurch

   eines gegebenen Schwellwertes die Transistoren der Multivibratorschaltung in einen stabilen Zustand vorspannt.
2. 2. Steuerkreis nach Anspruch 1,
   gekennzeichnet, daß die Steuersonde
   Photoelement ist.
3. 3. Steuerkreis nach Anspruch 1,
   gekennzeichnet, daß die Steuersonde
   Thermoelement ist.
4. 4. Steuerkreis nach Anspruch 1,
   gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrode jedes Multivibratortransistors (TR 1 bzw. TRl) über einen Widerstand (R 3 bzw. R 4 und R 8) mit der Basiselektrode verbunden ist.
5. 5. Steuerkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastwiderstand des Schalttransistors (Ti? 3) von der Wicklung (M) eines einen Lampenstromkreis (13, 12, 10, 11, 14) steuernden Relais gebildet wird.
6. 6. Steuerkreis nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrode des Schalttransistors (Ti? 3) über einen Widerstand (R 12) mit den Basiselek-

   troden einer parallel geschalteten Transistorgruppe (TRS . ..TRn) verbunden ist, welche den kontaktlosen Schalter eines Lampenkreises (13, 12,14) bildet
7. 7. Steuerkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schalttransistor (TR 3) und der Transistorgruppe (TR 5 ... TRn) ein weiterer Transistor (TR 4) geschaltet ist, dessen Basiselektrode über einen Widerstand (R 9) mit der Kollektorelektrode des Schalttransistors (TR3) und dessen Emitterelektrode über einen Widerstand (i?12) mit den Basiselektroden der Transistorgruppe (TR 5 ... TR n) verbunden ist.
8. 8. Steuerkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Widerstand (RVZ) und den Basiselektroden der Transistorgruppe (TR 5 . . .TRn) ein Vorspannungselement (26) mit einem parallel dazu liegenden Widerstand (R 13) eingeschaltet ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   »Elektronik«, 1954, Nr. 5, S. 35 bis 38;
   »Valvo-Berichte«, 1956, H. 1, S. 16 bis 26.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen