DE1088545B - Bistabile Kippschaltung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltsysteme, in welchen hyperkonduktive Dioden mit negativem Widerstandskennlinienteil als Schalter benutzt werden.

Eine Halbleiterdiode, welche einen hyperkonduktiven Durchbruch aufweist, ist bereits vorgeschlagen worden. Eine solche Halbleiterdiode kann durch die Zuführung von Energie in einen hochleitenden Zustand in der Rückwärtsrichtung betrieben werden und in jenem Zustand mit einem geringen Überschuß an Energie gehalten werden.

Ein Gegenstand dieser Erfindung ist die Benutzung einer Halbleiterdiode negativen Widerstandes als ' Schalter. Ein spezieller Gegenstand der Erfindung ist, einen Stromkreis zu schaffen, um eine hyperkonduktive Diode mit negativem Widerstandskennliniienteil in den Ein- und Aus-Zustand zu schalten und auf diese Weise die elektrische Speisung einer Gleichstromlast zu steuern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird in einem Schaltsystem, welches insbesondere zur Steuerung der Speisung eines Verbrauchers dient, erfindungsgemäß eine gegensinnige Reihenschaltung aus einer normalen Diode und einer hyperkonduktiven Diode mit einem Kennlinienteil hoher Leitfähigkeit in der Rückwärtsrichtung benutzt, welcher eine in ihrer Polarität umsteuerbare Steuerspannungsquelle in Reihe mit einem Kondensator derart parallel geschaltet ist, 'daß der vorzugsweise aus dem zu schaltenden Stromkreis aufgeladene Kondensator durch seine Ladespannung zusammen mit der Steuerspannung der einen Polarität die hyperkonduktive Diode in ihrer Rückwärtsrichtung durchlässig und hochleitfähig macht, während beim Auftreten bzw. Anlegen der Steuerspannung der anderen Polarität die hyperkonduktive Diode umgangen und in den Sperrzustand gebracht wird.

Im Rahmen der Erfindung kann die Aufladung des Kondensators unmittelbar durch die gleiche Gleichspannungsquelle erfolgen, welche zur Speisung des Gleichstromverbrauchers dient. Die in ihrer Polarität umsteuerbare Spannungsquelle für die Steuerung des Schaltsystems kann unmittelbar in Reihe mit dem Kondensator geschaltet sein. Es kann jedoch auch in Verbindung mit einer solchen Anordnung ein besonderer Transformator benutzt werden, so daß also die Sekundärwicklung dieses Transformators in Reihe mit dem Kondensator parallel zu der Reihenschaltung aus der normalen Diode und der hochleitfähigen Diode liegt und die eigentliche Steuerung der Anordnung durch eine entsprechende Veränderung der Spannung an der Primärwicklung dieses Transformators erfolgt.

So können gemäß einer beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung eine Gleichspannungsquelle, ein Transformator, ein Kondensator, ein Gleichrichter und eine hyperkonduktive Diode mit negativem Wider-Bistabile Kippschaltung

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 10. Juni 1958

Richard L. Bright, Adamsburg, Pa. (V. St. A,),
ist als Erfinder genannt worden

Standskennlinienteil so in einem Stromkreis zusammengeschaltet werden, daß der über eine Last fließende Strom durch impulsweise Speisung des Transformators mit entgegengesetzter Polaiiität ein- und ausgeschaltet werden kann.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen.

Fig. 1 ist eine beispielsweise Schaltungsanordnung mit dem grundsätzlichen Merkmal der Erfindung;

Fig. 2 ist eine vergrößerte Seitenansicht einer hyperkonduktiven Diode mit negativem Widerstandskennlinienteil in der Rückwärtsrichtung, welche für die Anwendung in einem in Fig. 1 gezeigten System geeignet ist;

Fig. 3 ist eine Kurve, welche die Eigenschaften der Diode zeigt, wie sie in Fig. 2 veranschaulicht ist.

Das in Fig. 1 gezeigte Schaltsystem umfaßt eine Gleichspannungsquelle, welche eine Batterie E sein kann, eine Last L, einen Gleichrichter oder eine Diode öl, eine hyperkonduktive Diode D2, mit negativem Widerstandskennlinienteil in Rückwärts richtung, einen Transformator T₁ welcher eine Primärwicklung Γ1 und eine Sekundärwicklung T2 besitzt, und einen Kondensator C. Wie gezeigt, ist die Last L an die Klemmen der Batterie B angeschlossen. Die Dioden D1 und D 2 sind gegensinnig zueinander mit ihrer Vorwärtsrichtung in dem Stromkreis in Reihe mit der Last L geschaltet. Die Sekundärwicklung T2 des Transformators T ist parallel zu den Dioden D1 und D 2 in Reihe mit dem Kondensator C geschaltet.

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Die Diode D1 kann irgendeine bekannte Diode sein, welche dem Stromfluß in der einen Richtung einen hohen Widerstand und in der entgegengesetzten Richtung einen niedrigen Widerstand bietet. Die Diode D 2 ist eine Durchbruchsdiode. Diese umfaßt, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ein erstes Basiselement 12, welches aus einem Halbleiterglied besteht, das mit einer Verunreinigung dotiert ist, um eine erste Type der Halbleitfähigkeit, entweder N oder P, zu schaffen. Auf der Basis 12 ist ein Emitter 13 vorgesehen, weleher aus einem Halbleitermaterial besteht, welches mit der entgegengesetzten Type der Halbleitfähigkeit dotiert ist. Der Emitter 13 kann durch Legierung einer Tablette, welche eine Dotierungsverunreinigung enthält, mit einer Platte aus Halbleitermaterial, die die Grundplatte 12 bildet, erzeugt werden. An der Zone zwischen 12 und dem Emitter 13 wird ein Emitterübergang gebildet.

Um das Einschalten der Diode in einen elektrischen Stromkreis zu erleichtern, kann eine Lage 20 aus SiI-ber oder einem anderen gut leitenden Metall auf die obere Oberfläche des Emitters 13 aufgeschmolzen, mit ihr legiert oder an sie angelötet sein. Die Kupferleiterdrähte können leicht an der Lage 20 angelötet werden.

Eine zweite Grundplatte 16 von entgegengesetzter Leitfähigkeit ist nächst der ersten Basis 12 vorgesehen. Eine Zone 17, wo die Grundplatten 12 und 16 · sich treffen, bildet einen Kollektorübergang.

Nächst der zweiten Grundplatte 16 ist eine Metallmasse 15 vorhanden, welche eine Ladungsträgerquelle ist, die eine kritische Rolle in der Wirkungsweise der Diode spielt. Die Metallmasse 15 kann neutralen Charakters sein, oder sie kann dieselben Dotierungseigenschaften wie das Metall 16 haben. Die Metall- masse 15 kann auf die Grundplatte 16 durch Löten, Legierung, Aufschmelzen oder ein ähnliches Verfahren aufgebracht werden.

Eine Grundplatte 21 kann vorgesehen werden zur Montage der Diode, wenn sie in Benutzung genommen wird und um den Strom der Mase 15 zuzuführen. Sie erfüllt keine Funktion in der Arbeitsweise der Diode, Die Basis 21 ist vorzugsweise aus einem der bekannten Metalle oder den bekannten Legierungen hergestellt, welche leicht den elektrischen Strom leiten. Eine Zuleitung kann an die Grundplatte 21 in einer geeigneten Weise angeschlossen werden. Die Grundplatte 21 kann an der Metallmasse 15 durch Hartlöten oder Weichlöten befestigt werden.

Die in Fig. 3 gezeigte Kurve veranschaulicht, wie die Halbleiterdiode, die in Fig. 2 gezeigt ist, auf das Anlegen verschiedener Spannungen anspricht. Wenn der obere rechte oder Vorwärtsquadrant betrachtet wird, so baut sich, wenn eine relativ niedrige Spannung angelegt wird, ein Strom bis zu relativ hohem Betrag auf. Wenn die Spannung umgekehrt wird, so baut sich in der Rückwärtsrichtung bis zu einer relativ hohen Spannung nur ein Bruchteil eines Ampere ■als fließender Strom auf. Wenn die Spannung bis zum Durchbruchspunkt der Diode vergrößert wird, so wird diese plötzlich hochleitfähig, und die Spannung fällt, wie gezeigt, in dem unteren linken oder Rückwärtsquadranten sehr stark nb. Die Diode wird ein Leiter mit niedrigem ohmschen Widerstand, und der Strom baut sich schnell bis zu einem relativ hohen Betrag auf.

Wie in dem Rückwärtsquadranten gezeigt ist, wird, wenn die Diode zusammenbricht, die Spannung auf einem im wesentlichen geradlinigen Teil abfallen, und es wird nur eine sehr geringe Leistung als Verlust' leistung verbraucht, um die Diode in einem hochleitfähigen Zustand zu halten. Die Diode kann wieder hochwiderstandsfähig gemacht werden, indem der Strom unter einen Minimalwert und die Spannung unter den Zusammenbruchswert herabgesetzt werden. Folglich kann durch geeignete Steuerung der Größe des Stromes und der Spannung in Rückwärtsrichtung die Kurve nach Wunsch wiederholt durchlaufen werden. Der Zusammenbruch oder der Vorgang der Diode, in welchem die Diode in der Rückwärtsrichtung hochleitfähig wird, erfolgt innerhalb eines sehr kleinen Zeitintervalls. Untersuchungen haben ergeben, daß von dem Zeitpunkt, wo die Diode der notwendigen Spannung in der Rückwärtsrichtung unterworfen wird, um sie hochleitfähig zu machen, bis zu dem Zeitpunkt, wo sie einen relativ hohen Strom bei einer niedrigen Rückwärtsspannung führt, nur ein Zeitintervall in der Größenordnung von V10 Mikrosekunde erfordert.

Bei der Benutzung der Halbleiterdiode für Schaltvorgänge in Steuersystemen ist es eine zweckmäßige Praxis, sie bereits einer konstanten Spannung in Rückwärtsrichtung zu unterwerfen, welche etwas unterhalb derjenigen Spannung liegt, welche erforderlich ist, um den Zusammenbruch oder das Hochleitfähigmachen der Diode herbeizuführen. Eine Steuerspannung, welche die konstante Spannung entsprechend ergänzt bzw. ihr hinzugefügt wird, kann dann zur Bewirkung des Zusammenbruchs benutzt werden. Die Spannung des Steuersystems hängt von der angelegten konstanten Spannung ab, aber sie kann abhängig von den Bedingungen, welche zu beherrschen sind, relativ niedrig sein. Auf diese Weise machen die Schaltoperationen, welche durch die Anwendung eines Steuersystems bewirkt werden, nicht die Unterbrechung hoher Ströme notwendig oder erfordern nieht hohe Spannungen.

In dem in Fig. 1 gezeigten System wird die Grundspannung oder konstante Spannung durch die Batterie B geliefert. Der Kondensator C wird geladen und erreicht eine statische Spannung e_c=E. Diese ist geringer als diejenige Spannung, welche erforderlich ist, um die Diode D 2 zum Durchbruch zu bringen oder sie zu sättigen. Wenn die Primärwicklung T1 des Transformators T dann mit einem pulsierenden Strom gespeist wird, um die Polaritäten zu schaffen, wie sie an der Sekundärwicklung TZ gezeigt sind, dann ist die Spannung an der Diode D 2 (e_t + E), welche die Diode 2 zum Leiten bzw. zum Durchbruch bringt. Der Kondensator C entlädt sich dann annähernd auf e_c—Q. Wenn ein Impuls von entgegengesetzter Polarität an dem Transformator T angelegt wird, so wird der Strom um die Diode D 2 herumgeleitet und bringt diese damit in den Sperrzustand. Der Gleichrichter oder die Diode 131 verhindert einen Impuls über Ό2 in der Vorwärtsrichtung, da die beiden Dioden mit ihrer Vorwärtsrichtung gegensinnig geschaltet sind.

Auf diese Weise wird der Strom von der Batterie E über die Last L durch das Anlegen von Impulsen geeigneter Polarität an der Primärwicklung Tl des Transformators T gesteuert. Wenn ein Impuls der einen Polarität angelegt wird, so wird die Diode T 2 hochleitfähig und erlaubt einen Stromfluß in dem Lastkreis. Wenn ein Impuls von entgegengesetzter Polarität an den Transformator angelegt ist, wird die Diode nichtleitend und stoppt auf diese Weise den Stromfluß über die Last L,

Aus der vorausgehenden Beschreibung ist es augenscheinlich, daß die Erfindung eine Halbleiterdiode mit negativem Widerstandskennlinienteil als einen Schal-

ter in einem Schaltsystem benutzt. Das Arbeiten der Diode kann durch das Anlegen pulsierenden Stromes der geeigneten Polarität an den Steuertransformator gesteuert werden.

Eb ist einleuchtend, daß eine Vorrichtung, welche Eigenschaften ähnlich denjenigen der Dioden öl und D 2 hat, welche in der veranschaulichten Weise geschaltet sind und in der vorstehend beschriebenen Weise gesteuert werden, als ein Schalter wirkt.

Obwohl zahlreiche Veränderungen in der oben be- ίο schriebenen Konstruktion vorgenommen werden können und verschiedene Verkörperungen der Erfindung hergestellt werden können, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen, so sollen alle Gegenstände, welche in der vorausgehenden Beschreibung enthalten und in den Zeichnungen gezeigt sind, nur so ausgelegt werden, daß sie zur Veranschaulichung dienen und nicht einen die Erfindung beschränkenden Charakter haben.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Bistabile Kippschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß eine gegensinnige Reihenschaltung einer normalen Diode und einer hyperkonduktiven Diode mit einem Kennlinienteil hoher Leitfähigkeit in der Rückwärts richtung vorhanden ist, welcher eine in ihrer Polarität umsteuerbare Steuerspannungsquelle in Reihe mit einem Kondensator derart parallel geschaltet ist, daß der vorzugsweise aus dem zu schaltenden Stromkreis aufgeladene Kondensator durch seine Ladespannung zusammen mit der S teuer spannung der einen Polarität die hyperkonduktive Diode in ihrer Rückwärtsrichtung durchlässig und hochleitf ähig macht, während beim Auftreten bzw. Anlegen der Steuerspannung der anderen Polarität die hyperkonduktive Diode umgangen und in den Sperrzustand gebracht wird.

2. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichspannungsquelle in Reihe mit der Last und dem Schaltsystem liegt und die Aufladung des Kondensators von dieser Gleichspannungsquelle des Verbraucherkreises erfolgt.

3. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung aus der normalen und der hyperkonduktiven Diode die Sekundärwicklung eines Transformators in Reihe mit dem Kondensator parallel geschaltet ist und die Steuerung für das Schaltsystem durch die Steuerung der primärseitigen Speisung des Transformators erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen