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Elektronischer Umschalter mit drei stabilen Lagen
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Umschalter mit drei stabilen Lagen. Derartige Schaltun- gen werden beispielsweise in der Telegraphentechnik in steigendem Umfang als Ersatzschaltungen für ge- polte Telegraphenrelais mit Mittelstellung der Kontaktzunge verwendet.
Ein gepoltes Telegraphenrelais mit Mittelstellung muss entsprechend den drei möglichen Zuständen "positiver Strom","negativer Strom"und"kein Strom"auf einer ankommenden Leitung drei stabile Lagen einnehmen. Auch eine vollwertige elektronische Ersatzschaltung muss diese drei stabilen Zustände nachbilden können.
Eine bekanntgewordene elektronische Ersatzschaltung eines gepolten Telegraphenrelais mit Mittelstellung enthält drei Transistoren und weist drei stabile Lagen auf. Jede der drei stabilen Lagen ist durch den Leitzustand eines Transistors und den Sperrzustand der beiden andern Transistoren gekennzeichnet.
Bei einem andern vorgeschlagenen elektronischen Umschalter werden zwei unabhängig voneinander steuerbare bistabile Kippstufen verwendet. Die beiden Kippstufen sind dabei zu einer Schaltung mit vier stabilen Zuständen verbunden, die bei entsprechender impulsweiser Steuerung an den Steuereingängen der Kippstufen positiven bzw. negativen bzw. keinen Strom an einem an ihrem Ausgang angeschlossenen Verbraucher abgibt. Die beiden Kennzustände"positiver Strom"und"negativer Strom"sind durch unterschiedliche Lagen der Kippstufen (eine Kippstufe im Ein-Zustand und eine Kippstufe im Aus-Zustand), der Kennzustand"Kein Strom"durch gleiche Lagen der Kippstufen (beide Kippstufen in der Ein- oder AusLage) gekennzeichnet.
Bei diesem ersten Typ von Relaisersatzschaltungen wird, falls Transistoren Verwendung finden, keine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang erreicht.
Bei einem zweiten Typ von Relaisersatzschaltungen wird dagegen eine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang dadurch erreicht, dass der Eingangsgleichstrom in eine Wechselspannung umgeformt, diese über Übertrager ausgekoppelt und verstärkt und anschliessend wieder in eine Gleichspannung umgewandelt wird.
Der elektronische Umschalter gemäss der Erfindung gehört zu dem ersten Typ von Relaisersatzschaltungen. Erfindungsgemäss ist nun die Anordnung so getroffen, dass in den steuernden Stromkreis zwei aus einer Spannungsquelle, einer Tunneldiode und einem Vorwiderstand bestehende Serienschaltungen gegensinnig parallelgeschaltet sind, wobei parallel zu jeder Tunneldiode die Basis-Emitterstrecke eines in den.
gesteuerten Stromkreisen liegenden Transistors liegt, wobei die Reihenschaltu ! 1gen in Abhängigkeit von der vorgegebenen Grösse der positiven und negativen Steuerspannung so dimensioniert sind, dass der Arbeitspunkt jeder Tunneldiode im Ruhezustand und beim Empfang einer der Spannung der zugeordneten Spannungsquelle entgegengesetzt gerichteten Steuerspannung im niederohmigen Bereich des ersten Anstieges der Kennlinie und bei Empfang einer der Spannung der zugeordneten Spannungsquelle gleichgerichteten Steuerspannung im hochohmigen Bereich des Abfalles oder des zweiten Anstieges der Kennlinie liegt, wobei der Arbeitspunkt der Tunneldioden mittels der Vorwiderstände so eingestellt ist, dass sich im Ruhezustand und in den beiden Arbeitszuständen nur jeweils ein Schnittpunkt der Widerstandsgeraden mit der Kennlinie der Tunneldiode ergibt,
und wobei die Transistorstromkreise so dimensioniert sind, dass der Transistor, soferne der Arbeitspunkt der zugeordneten Tunneldiode im niederohmigen Bereich der Kennlinie liegt, gesperrt ist, soferne der Arbeitspunkt der zugeordneten Tunneldiode im hochohmigen Bereich der Kennlinie liegt, geöffnet ist.
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Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert.
Die Tunneldiode ist ein neuartiges Halbleiter-Bauelement. Fig. l zeigt die Kennlinie einer Tunnel- diode im Durchlassbereich. Im Bereich 1 dieser Kennlinie wächst der Strom sehr rasch und ungefähr pro- portional mit der angelegten Spannung. In diesem Kennlinienbereich ist die Tunneldiode relativ nieder- i ohmig, der Widerstand liegt in der Grössenordnung von 1 Ohm. Es schliesst sich ein Kennlinienbereich2 an, in dem der Strom bei weiter steigender Spannung abnimmt, die Tunneldiode also zunehmend hoch- ohmiger wird. Im Bereich 3 hat die Kennlinie wieder positive Neigung. Der Widerstand im Punkt A liegt um
1-2 Zehnerpotenzen über dem Widerstand im Kennlinienbereich 1.
Im folgenden wird der Kennlinienbe- reich 1 als niederohmiger Durchlassbereich und der Bereich der Kennlinie in der Nähe des Punktes A als hochohmiger Durchlassbereich der Tunneldiode bezeichnet. Zum weiteren Verständnis des Aufbaues und der Wirkungsweise von Tunneldioden wird auf die Aufsätze von L. Esaki in Phys. Rev. 109 [1958], 5. 603, und J. A. Lask, N. Holonyak, U. S. Davidsohn"The Tunnel Diode-Circuits and Applications"in Elektronics,
27. November 1959, verwiesen.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ergeben sich je nach der Grösse eines Vorwiderstandes der Tunneldiode sowie der Grösse der Betriebsspannung verschiedene Betriebsarten der Tunneldiode. Werden beispielsweise die Batteriespannung und die Grösse des Vorwiderstandes relativ gross gewählt (Arbeitsgerade 4), so kann die
Tunneldiode zwei stabile Schaltzustände (Punkte B und C) einnehmen. Bei kleinerer Grösse des Vorwider- standes und der Batteriespannung (Arbeitsgerade 5) ergibtsichnurein stabiler Schaltzustand (Punkt B). Er- höht man in diesem Fall die wirksame Batteriespannung um den Betrag AU, so stellt sich der Arbeit- punkt D ein, der im hochohmigen Durchlassbereich liegt. Erniedrigt man dagegen die Batteriespannung um den Betrag A U, so stellt sich der Arbeitspunkt E ein, der wie der Arbeitspunkt B im niederohmigen
Durchlassbereich liegt.
Fig. 3 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel gemäss der Erfindung. Den Tunneldioden Dl und D2 sind die Basis-Emitterstrecken der komplementären Transistoren Tl und T2 parallelgeschaltet. Die Strom-
Spannungs-Kennlinie der Parallelschaltung von Tunneldiode und Transistor unterscheidet sich praktisch nur unwesentlich von der Kennlinie der Tunneldiode allein nach Fig. 1 oder Fig. 2. Dies gilt insbesondere dann, wenn Tunneldiode und Transistor aus dem gleichen Halbleitermaterial, beispielsweise aus Germanium ge-
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. Im Ruhezustand, d. h. bei fehlender Steuerspannung Ust zwischen den Steuerklemmen a und b, befinden sich die beiden Tunneldioden Dl und D2 im niederohmigen Durchlassbereich. Durch die Vorspannungen U1 und U2 und die Vorwiderstände Rl und R2 ergibt sich eine Arbeitsgerade, die der Arbeitsgeraden 5 nach Fig. 2 entspricht. Demzufolge liegt der Arbeitspunkt für die Tunneldioden Dl und D2 im Punkt B nach Fig. 2. In diesem Zustand fällt an den beiden Tunneldioden nur eine sehr geringe Spannung ab, und demzufolge sind die Transistoren Tl und T2 gesperrt. Durch den Arbeitswiderstand R3 fliesst in diesem Fall kein Strom.
Wird nunmehr eine Steuerspannung Ust der Grösse AU (Fig. 2) derart zugeführt, dass die Steuerklemme a positiv gegenüber der Steuerklemme b wird, so wird die Tunneldiode D2 in den Arbeitspunkt D und die Tunneldiode Dlin den ArbeitspunktEübergeführt. Die Tunneldiode D2 befindet sich dann im hochohmigen und die Tunneldiode Dl im niederohmigenDurchlassbereich. Infolgedessen ist die Basis des npn-Transistors T2 stark positiv gegenüber seinem Emitter, und der Transistor T2 wird durchlässig. Der Pnp-Transistor Tl dagegen bleibt gesperrt.
Demzufolge bildet sich ein Stromfluss vom Pluspol der Spannungsquelle U4 über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors T2, die Spannungsquelle U2 und den Arbeitswiderstand R3 zum Minuspol der Spannungsquelle U4 aus. Bei umgekehrter Polarität der Steuerspannung Ust wird die Tunneldiodc Dl in den Arbeitspunkt D und die Tunneldiode D2 in den Arbeitspunkt E gesteuert. In diesem Fall ist dann der Transistor Tl durchlässig und der Transistor T2 gesperrt. Durch den Arbeitswiderstand R3 fliesst nunmehr ein Strom in umgekehrter Richtung, ausgehend vom Pluspol der Spannungsquelle U3, über die Spannungsquelle Ul und die Emitter-Basis-Strecke des pnp-Transistors Tl zum Minuspol der Spannungsquelle U3.
Beifehlender bzw. positiver bzw. negativer Steuerspannung Ust fliesst also durch den Arbeitswiderstand R3 entweder kein Strom oder ein Strom in der einen oder andern Richtung. Alle drei Zustände sind, wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, stabil.
Der Umschalter nach Fig. 3 kann insbesondere, wie bereits erwähnt, als Ersatzschaltung eines gepolten Telegraphenrelais mit Mittelstellung der Kontaktzunge verwendet werden. An Stelle eines gemeinsamen Arbeitswiderstandes R3 im Emitterkreis der Transistoren können selbstverständlich auch wie in Fig. 4 dargestellt ist, getrennte Arbeitswiderstände R4, R5 in den Kollektor-Kreisen der Transistoren angeordnet sein. Die Transistoren T3, T4 können dabei vom gleichen Leitungstyp sein. Ferner können die Vorwider-
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stände Rl und. R2 sowie die Vorspannungen Ul und U2 auch so gewählt werden, dass sich eine Arbeiugera- de nach Fig. 2, Linie 4 ergibt.