DE1090715B - Auf dem Hall-Effekt beruhende bistabile Kippschaltung - Google Patents

Description

Auf dem Hall- oder Magnetowiderstandseffekt beruhende Kippschaltungen sind bereits bekannt. Die bekannten Schaltungen verwenden zwei zu einer Spannungsquelle parallele elektrische Kreise mit je einem magnetfeldabhängigen Widerstand und der Erregerspule eines Elektromagneten, wobei diese Spulen und Widerstände geometrisch derart angeordnet sind, daß das durch die Spule des einen Kreises erregte Magnetfeld auf den Widerstand des anderen Kreises wirkt, und umgekehrt.

Es ist andererseits auch bekannt, in einer Schaltung mit einem Hall-Generator eine Rückkopplung anzuwenden, derart, daß die unter Zusammenwirkung eines Erregerstromes und eines Magnetfeldes erzeugte Hall-Spannung zur Verstärkung des Magnetfeldes verwendet wird, durch welche Verstärkung diese Hall-Spannung ihrerseits wieder vergrößert wird, usw.

Die vorliegende Erfindung hat zum Zweck, eine neue Kippschaltung der erwähnten Art anzugeben, in welcher eine Rückkopplung auf geschickte Weise angewendet und nur ein einziger Hall-Generator verwendet wird.

Die Kippschaltung nach der Erfindung enthält zwei Wicklungen zur Erzeugung magnetischer Felder und eine Gleichstromquelle zur Erzeugung eines elektrischen Erregerstromes. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß sie ein einziges, einen beachtlichen Hall-Effekt aufweisendes Halbleiterelement besitzt, welches mit drei Elektroden versehen und 'derart angeordnet ist, daß es unter Einwirkung der einander entgegengesetzten Felder beider erwähnter Wicklungen steht, die in Reihe mit der Gleichstromquelle je zwischen einer der drei Elektroden und der dritten Elektrode des Halbleiterelementes geschaltet sind, und daß der Erregerstrom durch das Halbleiterelement und jede der Wicklungen ein magnetisches Feld erzeugt, welches diesen Strom nach einer der je mit einer der Wicklungen verbundenen Elektroden ablenkt.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles der bistabilen Kippschaltung nach der Erfindung. Diese Kippschaltung Gesteht im wesentlichen aus einer Platte 1 eines halbleitenden Materials mit ausgesprochenem Hall-Effekt, ζ. B. Indium-Antimonit. Diese Platte ist z. B. ungefähr dreieckförmig und ist im Magnetfeld zweier Wicklungen 2 und 3 angeordnet. Diese Wicklungen sind z. B. mit umgekehrtem Wicklungssinn auf einem gemeinsamen Kern aus ferromagnetischem Material gewickelt, der Kern (nicht dargestellt) besitzt einen schmalen Luftspalt, worin die Platte 1 angeordnet ist. An jeder Ecke der Platte 1 ist eine Elektrode oder Sonde a, b bzw. c angebracht. Eine Speisequelle, z. B. eine Batterie 4, ist einerseits mit der Sonde c verbunden und andererseits mit einem gemeinsamen Punkt beider Wicklun-

Auf dem Hall-Effekt beruhende
bistabile Kippschaltung

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach., Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Dr. Gottfried ArIt, Aachen,
ist als Erfinder genannt worden

gen 2 und 3. Die Wicklungen 2 und 3 sind andererseits mit den Sonden α bzw. b verbunden, und eine Impulsquelle ist über einen Trennkondensator 9 und Dioden 5

bzw. 6 ebenfalls mit den Sonden α und b gekoppelt sowie mit den Ausgangsleitungen 7 bzw. S. Der gemeinsame Punkt der Dioden 5 und 6 und des Eingangskondensators 9 liegt über einen Widerstand 10 an Masse bzw. am gemeinsamen Punkt der Wicklungen 2 und 3 und der Batterie 4.

Bei vollkommener Symmetrie der Platte 1 und der Wicklungen 2 und 3 fließt ein Strom über die Platte zwischen der Elektrode c und der Elektrode α und über die Wicklung 2; ein genau gleich großer Strom fließt ebenfalls über die Platte zwischen der Elektrode c und der Elektrode b und über die Wicklung 3. Demzufolge heben sich die Amperewindungen der Wicklungen 2 und 3 gegenseitig auf, so daß der magnetische Fluß im Kern dieser Wicklungen Null ist.

Die Symmetrie ist jedoch nie vollkommen, und wäre sie es auch, dann würde sie trotzdem durch die kleinste magnetische oder elektrische Störung gestört werden. Sobald die Ströme durch die Platte 1 nicht mehr symmetrisch sind, wird ein Magnetfeld im Spalt des Kernes und quer, vorzugsweise senkrecht durch die Hallplatte 1 durch den überwiegenden Strom in der Wicklung 2 oder 3 erzeugt. Diese Wicklungen sind derart geschaltet, daß dieses Magnetfeld die Unsymmetrie vergrößert. Ist z. B. der Strom durch die Wicklung 2 anfänglich etwas stärker als derjenige durch die Wicklung 3, so werden die beweglichen Ladungsträger in der Platte durch das erzeugte Magnetfeld nach der Elektrode α abgelenkt. Dadurch nimmt der Strom durch die Wicklung 2 zu, während der Strom durch

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die Wicklung 3 abnimmt. Es kann leicht eingesehen werden, daß der Strom der Batterie 4 beinahe ausschließlich durch die Wicklung 2 fließt, wenn ein Halbleiter mit genügend großer Beweglichkeit der Ladungsträger benutzt wird, der Kern und -die Wicklungen 2 und 3 sind vorzugsweise derart ausgebildet und die Spannung der Batterie 4 und die Widerstände der Platte 1 sowie der Wicklungen 2 und 3 derart gewählt, daß eine magnetische Sättigung des Kernes eintritt, wenn der Strom aus der Batterie 4 und durch die Platte 1 beinahe ausschließlich über eine der Wicklungen 2 oder 3 fließt.

Die beschriebene Anordnung ist somit eine bistabile Kippschaltung. Diese Schaltung kann mittels Impulsen derselben Polarität von einem beliebigen Zustand in den anderen stabilen Zustand gebracht werden. Ist z. B. der stabile Zustand erreicht, bei dem der Strom fast nur über die Elektroden c und α und die Wicklung 2 fließt, dann ist die Diode 5 wesentlich höher vorgespannt als die Diode 6, deren Kathode nahezu auf Massenpotential liegt. Bei einem neuen Impuls wird die Diode 5 wegen der Vorspannung sperren, während die Diode 6 den Impuls durchläßt. Reicht die Amplitude des Impulses aus, um das Magnetfeld des Kernes über die Wicklung 3 für kurze Zeit umzupolen, so kippt das Element um in die Lage, bei der der Erregerstrom durch die Kontakte c und b und die Wicklung 3 fließt.

Zwischen den Ausgangsleitungen 7 und 8 und Masse können komplementäre, dem jeweiligen stabilen Zustand der Schaltung entsprechende Spannungen abgenommen werden.

Die Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform der Kippschaltungen, welche mittels Impulsen abwechselnder Polarität, angelegt an eine der Wicklungen 2 oder 3, von einem ihrer stabilen Zustände in den anderen gebracht werden kann. Die Ausgangsspannungen können wieder über den Wicklungen 2 und 3 abgenommen werden, oder aber, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, werden die Ströme durch diese Wicklungen durch die damit in Reihe geschalteten Wicklungen 12 und 13 eines polarisierten Relais 11 geschickt. Der Umschaltkontakt 14 dieses Relais schaltet bei jedem Wechsel der Polarität des Eingangsimpulses um und verbleibt in der neu eingenommenen Stellung bis zum nächsten Polaritätswechsel des Eingangsimpulses.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist identisch mit derjenigen der Schaltung nach Fig. 1, mit dem Unterschied, daß in jeder der beiden stabilen Zustände ein Anregungsimpuls bestimmter Polarität die Schaltung umkippen läßt.

Die Ausführungsform nach Fig. 3 wird durch Impulse derselben Polarität aus zwei verschiedenen Quellen gesteuert, die an die eine öder an die andere Hälfte einer Eingangswicklung mit Mittel anzapfung 15, welche auf dem Kern 16 der Wicklungen 2 und 3 angeordnet ist, angelegt sind. Durch einen positiven Impuls, angelegt an die obere Hälfte der Wicklung 15 und der z. B. die Bedeutung einer binären Eins hat, wird ein positiver Impuls über der Wicklung 2 und ein negativer Impuls über der Wicklung 3 induziert, wobei ein solches Magnetfeld entsteht, daß der Strom z. B. hauptsächlich über die Kontakte c, α und die Wicklung 2 fließt. Ein positiver Impuls, angelegt an die untere Hälfte der Wicklung 15 und der z. B. die Bedeutung einer binären Null hat, bringt entsprechend die Kippschaltung in ihren anderen stabilen Zustand, worin die Wicklung 3 erregt und die Wicklung 2 unerregt ist.

Der Kern 16 trägt noch eine vierte Wicklung 17, über welche Ausgangsimpulse weitergeleitet werden können. Bei jeder Ummagnetisierung des Kernes 16 entsteht ein Spannungsimpuls über diese Wicklung. Eine Diode 18 liegt in Reihe mit der Wicklung 17 zwischen Ausgangsklemmen 19, die durch einen Widerstand 20 überbrückt sind. Diese Diode ist z. B. derart geschaltet, daß nur positive Impulse zu den Klemmen 19 weitergeleitet werden können. Es wird somit nur ein Ausgangsimpuls für zwei aufeinanderfolgende Ummagnetisierungen des Kernes 16 erzeugt. Die Diode 18 kann selbstverständlich in die Sperrrichtung vorgespannt werden, z. B. durch eine Batterie geschaltet in Reihe mit dem Widerstand 20, so daß kleinere Änderungen des magnetischen Flusses im Kern 16 keinen Ausgangsimpuls erzeugen können.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Auf dem Hall-Effekt beruhende bistabile Kippschaltung mit zwei Wicklungen zur Erzeugung magnetischer Felder und mit einer Gleichstromquelle zur _ Erzeugung eines elektrischen Erregerstromes, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein einziges, einen beachtlichen Hall-Effekt aufweisendes Halbleiterelement (1) besitzt, welches mit drei Elektroden (a, b, c) versehen und derart angeordnet ist, daß es unter Einwirkung der einander entgegengesetzten magnetischen Felder beider erwähnter Wicklungen (2, 3) steht, die in Reihe mit der Gleichstromquelle (4) je zwischen einer der drei Elektroden (a bzw. b) und der dritten Elektrode (c) des Halbleiterelementes geschaltet sind, und daß der Erregerstrom durch das Halbleiterelement (1) und jede der Wicklungen (2, 3) ein magnetisches Feld erzeugt, welches diesen Strom nach einer der je mit einer der Wicklungen (2, 3) verbundenen Elektroden {a, b) ablenkt.

2. Kippschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Wicklungen auf einem gemeinsamen Kern aus ferromagnetischem Material angeordnet sind, welcher einen schmalen, das Halbleiterelement enthaltenden Spalt aufweist.

3. Kippschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Gleichstromquelle, der Widerstand des Kreises der jeweils am stärksten erregten Wicklung und die Anzahl Windungen jeder der Wicklungen derart gewählt sind, daß der Kern aus ferromagnetischem Material beim Umkippen der Schaltung von einem Sättigungszustand in den entgegengesetzten Sättigungszustand übergeht.

4. Kippschaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie gesteuert wird durch Impulse derselben Polarität, die abwechselnd an eine und an die andere der zwei Wicklungen geführt werden über durch den Spannungsabfall an der entsprechenden Wicklung gesperrte Gleichrichterelemente.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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