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Elektrische Halbleiteranordnung
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der Schaltsteilheit eine Diode Inelement auszubilden, derart, dass in Reihe zu einem magnetfeldabhängigen Widerstand zwei ohmsche Widerstände und parallel zu diesen je eine Tunneldiode und parallel zu den beiden Tunneldioden ein Arbeitswiderstand geschaltet sind.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen ; es zeigt Fig. 1 das Schaltschema einer magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstandsanordnung mit parallel geschalteter Diode, Fig. 2 und 3 Ausführungsbeispiele der Anordnung gemäss der Erfindung mit zu einem magnetfeldabhängigen Halbleiterkörper parallel bzw. in Reihe geschalteter Tunneldiode, Fig. 4 ein schematisches Ausführungsbeispiel einer Anordnung gemäss der Erfindung mit zwei zu einem magnetfeldabhängigen Halbleiterkörper in Reihe geschalteten Tunneldioden, Fig. 5 das Schaltschema einer speziellen Ausführungsform der Halbleiteranordnung gemäss der Erfindung, Fig. 6 das Schaltschema einer Anordnung gemäss der Erfindung
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mit einem Hallgenerator als magnetfeldabhängigem Halbleiterkörper, Fig.
7 schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Reihenschaltung mehrerer Anordnungen gemäss der Erfindung.
In Fig. 1 ist mit 11 ein magnetfeldabhängiger Halbleiterwiderstand, mit 12 ein. Arbeitswiderstand, mit 13 eine Diode, mit 14 ein Vorwiderstand und mit 15 eine Spannungsquelle bezeichnet. Bei den bekannten Anordnungen dieser Art wird als Diode eine in Flussrichtung geschaltete Gleichrichterdiode oder einer Zener-Diode verwendet. Der Gesamtstrom ist mit io angegeben. Auf die Nachteile einer solchen Anordnung ist oben schon hingewiesen worden.
Fig. 2a zeigt eine entsprechende Anordnung gemäss der Erfindung. Der magnetfeldabhängige Widerstand ist mit 21, der Arbeitswiderstand mit 22, mit 23 eine Tunneldiode, der Vorwiderstand mit 24 und mit 25 die Spannungsquelle bezeichnet. Der Gesamtstrom ist wieder mitai, angegeben. Die Strom-Span- nungs-Verhälmisse sind aus dem qualitativen Diagramm der Fig. 2b zu entnehmen. Auf der Abszisse ist die Spannung (U) und auf der Ordinate der Strom (i) aufgetragen. Die Strom-Spannungs-Charakteristik der Tunneldiode 23 ist durch die Kurve A dargestellt. Die Dimensionierung ist so gewählt, dass bei einem verhältnismässig kleinen Widerstandswert des Widerstandes 21, also wenn kein oder nur ein schwaches Magnetfeldauf diesen Widerstand einwirkt, am Arbeitswiderstand 22 die Spannung U. liegt.
Die Verbindungsgerade durch die Punkte io auf die Ordinate und 1 auf die Kurve A stellt den durch die Widerstände 21 und 22 gebildeten Widerstand dar. Wird der Wert des Widerstandes 21 unter dem Einfluss bzw. durch Vergrösserung eines auf ihn wirkenden Magnetfeldes erhöht, so wandert der Punkt 1 auf der Kurve A nach oben ; er springt nach Überschreiten des Maximums in den Punkt 2. Am Arbeitswiderstand 22 liegt dann die wesentlich höhere Spannung U. Bei abnehmendem Magnetfeld wandert der Punkt 2 auf der Kurve nach links er springt nach Durchlaufen des Minimums nach 1 zurück. Man erkennt aus dem Diagramm, dass durch eine verhältnismässig geringfügige Änderung des Widerstandes 21 eine erhebliche Spannungsänderung am Arbeitswiderstand 22 auftritt, dass also die Anordnung in diesem Bereich eine verhältnismässig
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Diese Verhältnisse sind z.
B. bei der Steuerung von Relais sehr wichtig-wenn also der Widerstand 22 die Arbeitsspule eines Relais bildet-da sie einen verhältnismässig breiten Schaltbereich zwischen Ein-und Ausschalten ermöglichen.
Quantitative Ausführungsbeispiele für eine Anordnung gemäss Fig. 2asindin denFig. 2cbis 2f dargestellt. Das Diagramm 2c gibt die Charakteristik der in diesen und in den nachfolgenden quantitativen Beispielen verwendeten GaAs-Tunneldiode wieder. Auf der Abszisse ist die Spannung in Volt und auf der Ordinate der Strom in Milliampere aufgetragen. Das Diagramm der Fig. 2d zeigt den Verlauf der Spannung an der Tunneldiode 23 in Abhängigkeit von der Grösse des Widerstandes 21 (obere Abszisse) bzw. des auf ihn einwirkenden Magnetfeldes (untere Abszisse) für zwei Werte des Widerstandes 24.
Als Spannungsquelle 25 ist eine 3, 9 V-Spannungsquelle, als Widerstand 21 eine InSb-Widerstandsplatte gewählt, wie sie in der USA-Patentschrift Nr. 2, 894, 234, Fig. 6. angegeben ist und deren Widerstandswert unter dem Ein- fluss eines Magnetfeldes die auf der oberen Abszisse aufgetragenen Werte aufweist. Die gestrichelte Kurve bezieht sich auf einen Wert des Widerstandes 24 von 11, 5 n, die ausgezogene Kurve auf einen Wert von 12 ss. An Stelle des Arbeitswiderstandes 22 tritt ein Voltmeter, mit dem die Charakteristik aufgenommen wird. Dies entspricht praktisch dem Falle mit unendlich grossem Arbeitswiderstand, also dem Fall, bei dem die Anordnung durch den Arbeitswiderstand praktisch nicht belastet wird.
Das vorgenannte Beispiel zeigt neben der schon oben erwähnten grossen Schaltsteilheit der erfindungsgemässen Anordnung eine ausgeprägte und vollständige Hysterese ihrer Charakteristik. Hieraus ergeben sich spezielle Anwendungen, für die bisher schon Schaltelemente mit Hysterese-Charakteristik verwen- det wurden, z. B. als Speicherelemente in der Steuer- und Regeltechnik ; auf diese wird später noch eingegangen. Man erkennt weiterhin an den eingezeichneten Pfeilen, dass die Breite der Hysterese in erheblichem Masse abhängig ist von der Grösse des Vorwiderstandes 24, dass also die Hysterese-Charakteri- stik mit diesem Widerstand innerhalb eines grossen Bereiches eingestellt werden kann.
Fig. 2e zeigt ein weiteres quantitatives Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Anordnung nach Fig. bei dem der Arbeitswiderstand 22 durch eine Transistor-Anordnung gebildet wird. Die Elemente 21, 23 und 25 besitzen dieselben Werte wie im Beispiel gemäss 2d. Als Transistor ist ein SiemensTransistor Typ TF 80/60 gewählt. Im Kollektorkreis ist ein Widerstand von 75 n, eine Spannungsquelle von 60 Volt und ein Strommessinstrument (A) angedeutet.
Zur Einstellung eines günstigen Arbeitspunktes für den Transistor ist für den Abgriff der Emitterspannung ein Spannungsteiler mit Teilwiderständen von 6 n und 0, 130vorgesehen. Das Diagramm der Fig. 2f zeigt den Verlauf des Kollektorstromes des Transistors in Abhängigkeit von der Grösse des Widerstandes 21 für drei Werte des Widerstandes 24 ; die betref-
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fenden Widerstandswerte sind in den zugehörigen Kurven angegeben. Auf der Abszisse ist der magnetfeldabhängige Wert des Widerstandes 21 in fi und auf der Ordinate der Kollektorstrom des Transistors in Ampere aufgetragen. Auch diese Anordnung zeigt eine ausgeprägte Hysterese, deren Breite mit dem Wert des Widerstandes 24 zunimmt, wie dies an den eingezeichneten Pfeilen erkennbar ist.
Ein anderes Beispiel für eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Halbleiteranordnung zeigt Fig. 3a. Mit 31 ist der magnetfeldabhängige Halbleiterkörper, mit 32 der Arbeitswiderstand, mit 33 die Tunneldiode und mit 34 die Spannungsquelle bezeichnet. Der Gesamtstrom ist mit 10 angegeben. Die Strom-Spannungs-Verhältnisse sind aus dem Diagramm der Fig. 3 zu entnehmen. Die Bezeichnung ist gleichbedeutend wie in Fig. 2b. Bei schwachem oder fehlendem Magnetfeld ist der Strom gleich . Am Arbeitswiderstand 32 liegt die Spannung U1. Die Neigung der Verbindungsgeraden zwischen dem Punkt 1 und U ist durch die Grösse des Widerstandes 31 gegeben, diejenige der gestrichelten Geraden durch den Widerstand 32.
Bei zunehmender Magnetfeldeinwirkung auf den Widerstand 31 wandert der Punkt 1 nach links und gelangt schliesslich nach Punkt 2. Jetzt liegt am Widerstand 32 nur die verhältnismässig kleine Spannung U. Wie im Falle der Anordnung gemäss 2a erhält man auch hier eine grosse Spannungsänderung am Arbeitswiderstand bei einer verhältnismässig geringen Änderung des Widerstandes 31, also eine grosse Schaltsteilheit.
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3a istLagezu bringen. Durch Einschalten der Schalter 60a und 60b ist es möglich, über das Gegenfeld der Spulen 58a und 58b das System wieder in die Ausgangslage zurückzuschalten. Eine Anordnung dieser Arteignet sich z. B. zur Steuerung von Hin- und Herbewegungen, wie sie in der Technik zahlreich vorkommen.
In diesem Falle wird der Magnet 57 mit dem sich bewegenden Teil fest verbunden, es kann natürlich auch der übrige Teil der Anordnung mit dem sich bewegenden Teil verbunden sein. Als spezielles Beispiel sei die Anwendung bei einer Aufzugssteuerung genannt mit folgender Wirkung :
Befindet sich der Magnet 57 vor dem Widerstand 51a, so wird über den Arbeitswiderstand 52a, der einen Teil der Aufzugssteuerung bildet, eine Verminderung der Geschwindigkeithervorgerufen (Vorsignal).
Gelangt anschliessend der Magnet 57 in den Bereich des Widerstandes 51b, so wird der Aufzug über den Arbeitswiderstand 52b, durch den der Aufzugsantrieb ein-und ausgeschaltet wird, z. B. über ein Relais zum Stehen gebracht (Hauptsignal). Soll dagegen der Aufzug weder abgebremst noch angehalten werden, so werden die Schalter 60a und 60b geschlossen ; das durch sie eingeschaltete Gegenfeld setzt den beschriebenen Brems- und Abschaltmechanismus ausser Betrieb. Durch Kopplung mehrerer Anordnungen der erfindungsgemässen Art können in entsprechender Weise zusätzliche Funktionen ausgeführt werden.
Die Anordnung gemäss Fig. 6 entspricht dem Aufbau der Anordnung gemäss Fig. 2a. Sie unterscheidet sich lediglich dadurch, dass als magnetfeldabhängiger Halbleiterkörper ein Hallgenerator vorgesehen ist
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Primär-kreis des Hallgenerators der Vorwiderstand 64 und die Spannungsquelle 65 angeordnet. Die in den vorangehenden Figuren beschriebenen Anwendungsbeispiele können in analoger Weise auch mit Hallgeneratoren als magnetfeldabhängige Halbleiterkörper realisiert werden.
Die an Hand der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele dargelegten Eigenschaften der Halbleiteranordnung gemäss der Erfindung eröffnen, wie es bereits bei einigen Beispielen erwähnt worden ist, zahlreiche Anwendungen in der Steuer-und Regeltechnik. Neben der Verwendung als bistabiles Schaltelement eignet sich die erfindungsgemässe Halbleiteranordnung auch, um ein weiteres breites Anwendungsgebiet zu nennen, in hervorragendem Masse als Schalteinheit zur Durchführung sogenannter logischer Operationen in der Steuer- und Regeltechnik, wie sie z. B. im Oktober Heft 1959 der Siemens-Zeitschrift (Siemens Review, Vol. XXVII, NI. 3, 1960) im Prinzip und in einigen Anwendungen beschrieben sind.
Bei solchen Anwendungen wird die erfindungsgemässe Anordnung zweckmässigerweise zu einer Schalteinheit zusammengefasst. Dabei kann der Eingang durch eine oder mehrere Erregerspulen des auf die magnetfeldabhängigen Widerstände wirkenden Magneten, der Ausgang durch einen Spannungsabgriff an der Tunneldiode gebildet werden.
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mäss Fig. 2d der Arbeitspunkt der Anordnung durch Vormagnetisierung in die Mitte der Hystereseschleife gelegt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrische Halbleiteranordnung mit mindestens einem Halbleiterkörper, dessen elektrische Eigenschaften in Abhängigkeit von mindestens einem Magnetfeld gebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass parallel und/oder in Reihe zu den magnetfeldabhängigen Halbleiterkörpem mindestens eine Tunneldiode geschaltet ist.