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Der Miller-Integrator
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Der Miller-Integrator Für
größere Verzögerungszeiten, zum Unterdrücken kurzzeitiger
Spannungssprünge u. ä. eignet sich gut der mit einem 'ITL-Grundguter
realisierbare Miller-Integrator. Er ist die funktionelle Parallele zur
gleichnamigen Schaltung mit Einzeltransistoren. Bild 4.41a zeigt die
Prinzipschaltung, Bild 4.41b die zugehörigen Impulsverläufe. . Zum
Verständnis der Wirkungsweise sei an die innere Schaltung des
TTL-Grundgatters erinnert (Bild 1.2a). Der Mindestwert für R1 beträgt
6,8 kΩ da er auf die Zeitkonstante des Integrators kaum Einfluss hat
(dazu vgl. [351), wird man ihn jedoch auch nicht wesentlich höher
festlegen. Wegen des großen Wertes von R 1 »liest« der dort
angeschlossene Gattereingang H, denn der über R 1 mögliche Strom reicht
nicht mehr zum Öffnen des Transistors V1 im Gatter (Bild 1.2a) aus. A
ist also L. Sobald man E an L legt, geht Ausgang A sofort nach H, weil
der an R l liegende Gattereingang wirkungslos ist, wenn E = L ist. Von A
wird Cl über Rl auf etwa +3,5V aufgeladen. Über R1 steht danach keine
Spannung mehr, weil der Emitterstrom des Transistors V1 im Gatter jetzt
vollständig über E abfließt und die weiteren Emitter (hier der an Rl
liegende) damit stromlos sind. Sobald die Eingangsspannung Ue
nach H wechselt (Bild 4.41b, wäre Ua bestrebt, nach L zu
»gehen«. Tatsächlich tritt an A jedoch erst einmal eine kleine, für die
praktische Verwendung uninteressante Spannungsspitze über H-Pegel (+5V)
auf. Sie kommt dadurch zustande, dass (wegen E = H) nunmehr der zweite
Emitter des Gattereingangstransistors wieder über R 1 einen geringen
Stromfluss und damit positiven Spannungsabfall, (=1,5 V) bewirkt. Danach
sinkt die Spannung an A ab. Über Cl wird dies als negativer werdendes
Potential an R 1 wirksam. Diese Gegenkopplung über Cl hindert damit den
Gatterausgang :an schnellem Pegelwechsel, denn der Eingang des Gatters
wird der Ausgangsspannung nachgeführt. Der dabei aus dem Gattereingang
fließende Strom entlädt C, womit die Spannung am Punkt C1, R1 allmählich
positiver wird, was Ua wiederum verkleinert usw. Der Vorgang
ist abgeschlossen, wenn U„ den L-Pegel erreicht hat. Über C1 ist dann
kein weiterer Stromfluss mehr möglich; und wegen des hohen Wertes von R
l liest der Gattereingang wieder H. Legt man E erneut auf L, so geht A
sofort nach H, weil für diesen Vorgang der mit Cl verbundene Eingang wie
erläutert unwirksam ist. Der Miller-Integrator verzögert also, wie das
Diagramm zeigt, nur die LH-Flanke der Eingangsspannung! Auf den
Verzögerungsablauf hat R 1 kaum Einfluss. Die Verzögerungszeit t,,
ergibt sich nur aus Gattereingangsstrom (der typisch 1 mA und somit eine
von der IS fest vorgegebene Größe ist) und C1-Wert. Dagegen hat R 1 im
Moment des HL-Wechsels der Ue einen Einfluss auf die
Wiederbereitschaftszeit des Integrators, da Cl in dieser Periode über Rl
geladen wird. Deshalb ist es günstig, R 1 nicht größer als 10k(Z
festzulegen. Die verflachte HL-Flanke von Ua hat einen fast
linearen Verlauf. Weitere Diagramme für andere Punkte der Schaltung sind
in [351 zu finden. Als Verzögerungszeit t„ ist die Zeit defiliert, die
bis zum Erreichen des Umschaltspannungswertes nachfolgender TTL-Gatter
(typisch = + 1,4 V, Bild 2.2) vergeht. Der Zusammenhang zwischen tv
und Cl ist linear. Aus den in Bild 4.31 dafür angegebenen Werten kann
man daher unmittelbar auf den C-Wert für andere Verzögerungszeiten
umrechnen. Selbsterregung im integrierenden - Gatter (Bild 2.3) wird bei
dieser Betriebsweise durch Cl zuverlässig unterbunden, die
»schleichende« U.7Änderung kann aber derartige Effekte in nachfolgenden
Gattern auslösen, so dass dem Miller-Integrator ein Trigger
nachzuschalten ist. Da der Integrator nur eine Eingangsspannungsflanke
verzögert, kombiniert man vorteilhaft 2 derartige Stufen mit einem
Trigger, die insgesamt dafür benötigten 4 Gatter sind in einer IS D 100
enthalten. Bild 4.42 zeigt diese Erweiterung. Die Gatter D1 und D2
bilden je einen Miller-Integrator, zur Impulsformung ist der Trigger D3,
D4 (Bild 4.1) nachgesetzt. Bild 4.42b verdeutlicht die Funktion. Die
Verläufe an den Punkten Yl und Y2 entsprechen den in Bild 4.41b
dargestellten, wobei Ua des ersten Integrators zugleich Ue
des zweiten ist. Die an Y2 entstehende flache Flanke wird durch den
Trigger geformt, so dass bei A wieder ein einwandfreies Rechtecksignal
vorliegt. Die Verzögerungszeiten der Ausgangsspannung an A gegenüber der
entsprechenden Eingangsflanke an E lassen sich mit C1 (für t,,1) und C2
(für tue) getrennt und bei Bedarf unterschiedlich festlegen. Interessant
ist das Verhalten dieser Schaltung, wenn Eingangsimpulse auftreten,
deren Dauer kürzer als t,,1 bzw. 42 sind. In diesem Fall wird bei einem
der Integratoren die Umschaltschwelle 1,4V nicht erreicht, und das
nachfolgende Gatter reagiert nicht. Eingangsimpulse, deren Dauer kürzer
als t„1 oder 42 sind, werden daher am Ausgang unterdrückt. Deshalb
eignet sich diese Schaltung auch vorzüglich zum Beseitigen kurzer
Störimpulse auf Eingangs- oder Verbindungsleitungen, die sonst die
häufigste Ursache von Fehlschaltungen bei Monoflop oder FF-Kippstufen
sind. Insbesondere ist dieses Verfahren daher zur Realisierung von
Monoflop (Zeitschaltern) mit störfestem Eingang zu empfehlen. In diesem
Sonderfall benötigt man den Trigger nicht, denn der Monoflop übernimmt
diese Funktion selbst mit. Bild 4.43 zeigt die Gesamtschaltung eines
solchen Monoflop mit störsicherem Miller-Integratoreingang. Einzelheiten
zu ihrer Funktion sind [351 zu entnehmen. Der Ausgang des Monoflop führt
im Ruhezustand H- und der Eingang E L-Pegel. Die Haltezeit tH
des Monoflop kann nach der angegebenen Näherungsgleichung festgelegt
werden. Mit handelsüblichen Werten für C3 und R3= 250kΩ sind Zeiten bis
etwa 6 Minuten - sicher zu beherrschen. R3 sollte einstellbar sein (in
Bild 4.43 nicht gezeichnet); er darf im Bereich 10 ...250 kΩ variieren.
Mit ihm lässt sich tH in weiten Grenzen einstellen. Die
minimal vorkommende Haltezeit tH muss erheblich größer als
die für die Integratoren mit Cl und C2 (wobei Cl = (72 gesetzt ist)
festgelegte Verzögerungszeit t„Z sein. Nachdem der Mindestwert für tH
festgelegt ist, wird man t, entsprechend niedriger wählen und danach Cl,
C2 bemessen (ebenso wie bei Bild 4.41 und Bild 4.42 ergeben sich etwa 10
p,s je nF Kapazität). »Gestartet« wird der Monoflop mit H-Pegel am
Eingang E, wobei nach dem zuvor Gesagten selbstverständlich die Dauer tE
des Startsignals größer als tt,Z sein muss. Auf tH hat die
Dauer von tE keinen Einfluss. Demzufolge ist t, einerseits
niedrig anzusetzen, zum anderen ergibt ein geringerer Wert von t,
natürlich auch kräftige Schaltschütze ansteuerbar, deren
Betriebsspannung + U%, und Betriebsstrom im Rahmen der Grenzdaten von V4
frei zu wählen sind. Für den Zeitschalter nach Bild 4.44 sollten bei
derartigen Anwendungen C1= C2 = 5 µF und C3 (eventuell mit
Stufensghalter umschaltbar) = 50...1000 wF sein. Für R3 kann man ein
250-kü-Potentiometer mit' in Serie gelegtem Festwiderstand von lOkü
verwenden. Mit dieser Dimensionierung ist es möglich, den Zeitbereich
zwischen etwa 1 Sekunde und etwa 6 Minuten zu überstreichen. |
