DE1196706B - Cryoelektrischer Schalter - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al-36/18

R 39126 Vin a/21 al
28. Oktober 1964
15. Juli 1965

Die vorliegende Erfindung betrifft einen relativ schnell arbeitenden cryoelektrischen Schalter, der sich insbesondere zur Steuerung einer Widerstandsbelastung eignet.

Der erfindungsgemäße Schalter enthält eine Gatter- oder Torelektrode und eine Steuerelektrode. Im einen Betriebszustand des Schalters sind beide Elektroden supraleitend, und die Torelektrode hat keinen Widerstand und eine sehr geringe Induktivität. Im anderen Betriebszustand sind sowohl die Tor- ίο elektrode als auch die Steuerelektrode normalleitend. Die Torelektrode hat dann sowohl eine relativ hohe Induktivität als auch einen endlichen Widerstand.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung näher er- läutert; es zeigt

F i g. 1 ein teilweise in Blockform teilweise in vereinfachter Querschnittsansicht dargestelltes Schaltbild eines Stromsteuerkreises gemäß der Erfindung,

F i g. 2 ein Strom-Zeit-Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des in F i g. 1 dargestellten Kreises,

F i g.. 3 eine schematische perspektivische Ansicht des Schalters gemäß der Erfindung und

F i g. 4 ein Ersatzschaltbild für das in F i g. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Im folgenden wird eine Umgebung tiefer Temperatur, bei der Supraleitung eintreten kann, vorausgesetzt.

Ein unter der Bezeichnung »Cryotron« bekannter Cryoelektrischer Schalter

Anmelder:

Radio Corporation of America,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,

München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:
Charles Martin Wine,
Princeton, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 5. November 1963
(321580)

Strom ausreichender Größe zugeführt wird, schalten die Torelektroden der betreffenden Stromwege in den

cryoelektrischer Schalter enthält "eine Torelektrode 30 normalen, d. h. widerstandsbehafteten Zustand um.

und eine Steuerelektrode. Die Torelektrode besteht Der verbleibende Stromweg bleibt supraleitend, so

aus einem weichen Supraleiter, wie Zinn, und die Steuerelektrode aus einem harten Supraleiter, wie Blei. Ein Supraleiter wird bekanntlich als »weich« bezeichnet, wenn er seine Supraleitfähigkeit schon bei relativ niedrigen Temperaturen und Magnetfeldern verliert, während sogenannte harte Supraleiter erst bei relativ hohen Temperaturen und Magnetfeldern normalleitend werden. Wenn in der Steuerelektrode

kein Strom fließt, ist der Widerstand der Torelektrode 40 spielsweise η gleichartige Stromwege vorhanden sind, Null. Wenn in der Steuerelektrode jedoch ein Strom von denen einer ausgewählt ist, bieten sich dem zu

lenkenden Strom anfänglich η gleiche Induktivitätswerte dar. Der Strom teilt sich daher anfänglich auf alle Stromwege auf, von denen jeder den η-ten Teil des Gesamtstromes führt. Die Stromamplitude fällt dann in den nicht ausgewählten Stromwegen ab, und der Strom wird statt dessen in den ausgewählten

daß der gesamte Strom von der Stromquelle in diesen Stromweg gelenkt wird.

Bei Schaltkrisen der obenerwähnten Art werden häufig sehr kurze Ansprechzeiten gefordert. Die Arbeitsgeschwindigkeit wird jedoch durch die Zeitkonstante der einzelnen Cryotrons beschränkt. Qualitativ kann dies damit erklärt werden, daß jedem Stromweg eine Induktivität anhaftet. Wenn bei-

einer einen bestimmten Wert übersteigenden Größe fließt, nimmt die Torelektrode einen endlichen Widerstandswert an.

Cryotrons können bekanntlich dazu verwendet werden, den Verlauf eines Stromes zu lenken, z. B. in Schaltbäumen oder -pyramiden. Solche Anordnungen enthalten eine Anzahl von Stromwegen, die von einer Stromquelle zu entsprechenden Verbrauchern führen supraleitenden Stromweg gelenkt. Der Verlauf des Stromes in dem ausgewählten Stromweg verläuft also

und jeweils eine Torelektrode eines Cryotrons ent- 30 etwa so, wie die idealisierte Kurve 10 in F i g. 2 zeigt, halten. Wenn den Steuerelektroden der Cryotrons
aller Stromwege mit Ausnahme eines einzigen ein

Der Zeitpunkt T₀ entspricht dem Auftreten der Vorderflanke des Steuerimpulses. Die Zeit, die

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erforderlich ist, um den Strom von der Quelle in den 22 sind mit einer Steuerstromquelle 36 und die gewünschten Stromweg zu lenken, beträgt T₁-T₀. Steuerelemente 20a, 22a mit einer Steuerstromquelle

Es ist auch bereits angeregt worden, in den jeweili- 36 a verbunden.

gen Stromwegen eines Schaltbaumes statt Cryotrons Zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 1

induktive Schalter zu verwenden. Bei einem indukti- 5 dargestellten Schaltungsanordnung soll angenommen ven Schalter besteht die Steuerelektrode aus einem werden, daß die Steuerstromquelle 36 inaktiv und weichen Supraleiter, wie Zinn, und die Torelektrode die Steuerstromquelle 36 a aktiv sind. Die Steueraus einem harten Supraleiter, wie BIeL Beim Aus- stromquelle 36 a liefert dabei einen Strom an die wählen eines bestimmten Stromweges wird ein Steuer- Steuerelemente 22 a, 20 a, dessen Amplitude ausströmt (oder ein beispielsweise magnetisches Steuer- io reicht, die Steuerelemente aus dem supraleitenden feld) den Steuerelektroden der induktiven Schalter in Zustand in den normalleitenden, widerstandsbehafteallen Stromzweigen außer dem ausgewählten Strom- ten Zustand zu schalten. Die Steuerelemente 22 α, 20 α zweig des Schaltbaumes zugeführt. Hierdurch werden erzeugen außerdem ein im Raum zwischen diesen ■säe Steoerelektrodea der angesteuerten Schalter nor- Elementen konzentriertes Magnetfeld ausreichender malleitend. Wenn die Steuerelektrode normalleitend 15 Größe, um die Torelektrode 24 a normalleitend wird, bekommt die zugehörige Torelektrode eine werden zu lassen.

verhältnismäßig hohe Induktivität, da der Magnet- Wenn nun die Stromquelle 26 einen Stromimpuls

feldabschirmeffekt der Steuerelektrode wegfällt. Bei an die beiden Stromzweige 28, 30 liefert, bietet der einem mit induktiven Schaltern bestückten Schalt- Stromzweig 28 infolge des Absehinnefifektes der baum nfthmftn daher alle Siromwege mit Ausnahme ao supraleitenden Steuerelemente 20, 22 «ine nur sehr des ausgewählten Stromweges eine verhältnismäßig geringe Induktivität dar. Der Stromkreis 30 hat hohe Induktivität an. Als Folge davon fließt der zu andererseits eine verhältnismäßig hohe Induktivität, lenkende Strom augenblicklich in den nur eine da die durch die Elemente 20 a, 22a gebildete Abniedrige Induktivität darbietenden gewünschten echirmung für die Torelektrode 24<a in den normal-Stromweg. 25 leitenden Zustand geschaltet worden war. Der von

Induktive Schalter der obenerwähnten Art arbeiten der Stromquelle 26 gelieferte Strom wird daher zwar sehr rasch, sie haben jedoch bei manchen An- augenblicklich ia den Stromzweig 28 geleitet, und der wendungenNachteile, beispielsweise wenn die an den Sfcroinyerlauf entspricht dem Kurveaast 14, 16 in Schaltbaum angeschlossenen Verbraucher Wider- Fig. 2. Außerdem befindet sich noch die Torstandsbelastungen sind. Bei Widerstandsbelastungen 30 elektrode 24a im normalleitenden, widerstandsbehafteilt sich zwar der Strom am Anfang sofort in der teten Zustand. Es fließt daher auch im eingeschwungewünschten Weise auf, die Stromverteilung stellt sich genen Zustand ein höherer Strom in den Stromzweig später jedoch umgekehrt proportional zu den Wider- 28 als in den Stromzweig 30, auch wenn die Verständen in den einzelnen Stromzweigen ein, wie braucher 32, 34 Widerstandsbelastungen daistellen durch die Kurve 12 in Fig. 2 dargestellt ist. Es ist 35 und der Strom von der Quelle 26 dazu neigt, sich dabei angenommen worden, daß der den verschiede- nach dem Durchlaufen des Maximums 16 entsprenen Steuerelektroden zugeführte Steuerimpuls eine chend den Widerständen der einzelnen Stroiozweige sehr steife Vorderflaoke hat. Der verfügbare Strom auf diese zu verteilen. Das Wesentliche besteht darin, wird zwar entsprechend dem Kurvenast 14, 16 an- daß, gleiche Widerstandswerte für die Verbraucher fänglich sofort in den gewünschten Stromweg geleitet. 40 32, 34 vorausgesetzt, der Gesamtwiderstand im Kurz darauf fällt die Stromamplitude im gewünschten Stromzweig 30 größer ist als der im Stromzweig 28. Stromweg entsprechend dem Kurvenast 16,18 wieder Bei einer praktischen Schaltungsanordnung ist es

ab, da sich der zur Verfügung stehende Strom ent- vorteilhaft, wenn der Widerstand der einzelnen Versprechend den Belasümgswiderständen in den ver- braucher 32, 34 usw. beträchtlich kleiner ist als der schiedenen Stromwegen aufteilt. 45 Widerstand der Torelektrode, wenn sich diese im

Der «risadungsgemäße Schalter vereinigt die Vor- aormalleitenden Zustand befindet Außerdem sollte teile des Cryotrons und des induktiven Schalters. Er der von der Stromquelle 26 gelieferte Strom eine enthält eine Steuerdbmenfaaocdinng, die in Fig. 1 Größenordnung unter demjenigen Stromwert liegen, als Ebenen 20, 22 dargestellt sind, wnd ein ebenfalls der für sich allein ausreichen würde, um ein Torais Ebene dargestelltes Torelesnent 24. Während bei 50 element in den normalleitenden Zustand zu treiben. eisern Cryotron das Steaerriement aus etaem harten Es ist außerdem zweckmäßig, wenn auch nicht Supraleiter nnd das Toideineajt aus einem weichen wesentlich, für die Torelektrode ein etwas weicheres Supraleiter und in «man induktiven Schalter das Supraleitermaterial zn verwenden als für die Steuer-Steuereletneni aas einem weichen Supraleiter und das elektrode.

Torelement aas einem härten .Supraleiter besteht, 55 Der in Fig. 1 dargestellte Kreis würde auch mit werden bei dem erfindwngsgemäßen Schalter sowohl Schaltelementen, die nur ein einziges Steuerelement fiür das Stesexedemeirt afc auch für das Torelement enthalten, arbeiten; die dargestellte schleifenartige wache Supraleiter verwendet Konstruktion ist jedoch unter anderem aus folgenden

In Fig. 1 ist du einfacher Scfealibaum dargestellt, beiden Gründen vorzuziehen. Erstens bewirkt der 4er nur zwei Stromzwrige enthält Selbstverständlich 60 schleifenartige Aufbau der Steuerelektrode, daß läßt eich die Erimdtung auch auf Scaahtäjime mit das Magnetfeld in desaa gewünschten Bereich zwiweseeäidi mehr Gliedern anwesden. Eine Strom- sehen den beiden Steueiebenen konzentriert wird, qweüe Ä, faeispjdfeweise eäae Inapalsquelle, liefert an während sieh die Einzelfelder im Bereich außerhalb beide Stromzweige 2Ä, 30 einen Strom. Das Tox- dieser beiden Ebenen subtrahieren. Zweitens wird element 24 liegt in ReAe net iiem Strasnizweig 28 65 die Selbstinduktion der Steuerelemente herabgesetzt, und das Toreleeeat 24c in Reihe mit dem Strom- so daß höhere Arbeitsgeschwindigkeiten möglich sind, rweig M. Die SinomzwEige 28, 30 emfhatea außer- Fdg. 3 zeigt eine vereinfachte perspektivische An-

■akatn Verbraucher 32 kam. M. Die Steuerelemente 20, sieht eines Schalterkreises gemäß der Erfindung. Die

dargestellten Ebenen sind vorzugsweise als dünne Filme oder Schichten ausgebildet, die gegeneinander durch ein Isoliermaterial, wie Siliciummonoxyd, isoliert sind. Zur Vereinfachung der Darstellung ist die Isolation jedoch nicht abgebildet. Es hat sich gezeigt, dß die dargestellte überlappende Anordnung, bei der die Enden der permanenten Grundebenen G etwas über die Ränder der Steuerebenen S und die Steuerebenen etwas über die Ränder der die Torelektrode bildenden Ebenen T reichen, besonders gut arbeitet.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Steuerelement zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Zustand umgeschaltet. Man kann die Anordnung jedoch auch so betreiben, daß die Steuerelektrode in den sogenannten Zwischenzustand getrieben wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man der Steuerelektrode einen Widerstand verhältnismäßig geringen Widerstandswertes, der beispielsweise aus Silber oder Kupfer bestehen kann, parallelschaltet und der Steuerelektrode einen Strom zuführt, dessen Betrag geringfügig größer ist als der kritische Strom, bei dem das Element vom supraleitenden in den Zwischenzustand schaltet.

In Fig. 4 ist ein Ersatzschaltbild des in Fig. 1 abgebildeten Kreises dargestellt, bei dem die beiden Verbraucher 32, 34 als Widerstände R₂ bzw. R_s dargestellt sind. L₂ und R₁ stellen die Induktivität bzw. den Widerstand der Torelektrode dar, wenn sich diese im normalleitenden Zustand befindet. L₁ ist die Induktivität einer supraleitenden Torelektrode.

Der Betrag der Induktivität L₁ ist wesentlich geringer als der von L₂, das Verhältnis kann beispielsweise 1:100 betragen. Der Widerstand R₁ kann beispielsweise in der Größenordnung von 1 Ohm liegen. Durch geeignete Wahl der Widerstände R₂ und R₃ können die Zeitkonstanten der beiden Zweige praktisch gleichgemacht werden. Wenn beispielsweise R₂ und R₃ beide gleich 0,01 Ohm sind, ergeben sich für die Zeitkonstante

L₁

L₁

R₂ 0,01
des oberen Zweiges und die Zeitkonstante

IQOZ₁
(R₃ + Ri)

des unteren Zweiges praktisch gleiche Werte:
100L₁ ^ L₁

(l + 0,01) ~ oToT"

45

50

55

Wenn die Kreisparameter auf diese Weise bemessen sind und die Stromquelle 26 einen Stromimpuls mit steller Vorderflanke liefert, hat auch der in den L₁ und R₂ enthaltenden Stromzweig fließende Strom eine steile Vorderflanke. An der Vorderflanke des Impulses tritt jedoch kein Uberschwingen über den Dauerstromwert auf, den der Strom in dem betreffenden Stromzweig im eingeschwungenen Zustand einnimmt. In dem Diagramm der Fig. 2 steigt der Strom also vom Punkt 14 steil zum Punkt 15 an und verläuft dann im wesentlichen längs der strichpunktierten Geraden 17.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Anordnung läßt sich gewünschtenfalls auch ein bestimmter Betrag an Uberschwingen oder Unterschwingen einstellen, indem man die Relativwerte yon R₂ und R₃ und damit

dieΓ— -Zeitkonstanten der einzelnen Zweige einstellt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Cryoelektrischer Schalter mit einer aus einem Supraleiterwerkstoff bestehenden Torelektrode und einer in unmittelbarer Nachbarschaft von dieser angeordneten Steuerelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode und die Torelektrode aus einem weichen Supraleitermaterial gebildet sind und daß der Steuerelektrode ein Strom solcher Größe zuführbar ist, daß sowohl die Steuerelektrode als auch die Torelektrode aus dem supraleitenden Zustand getrieben werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode einen ersten Teil auf einer ersten Seite der Torelektrode und einen anderen Teil auf der anderen Seite der Torelektrode aufweist und daß diese Teile der Steuerelektrode so verbunden sind, daß ein die Steuerelektrode durchfließender Strom zwischen den beiden Teilen ein konzentriertes Magnetfeld erzeugt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Tor- und Steuerelektrode in Dünnschichttechnik aus weichen Supraleiterwerkstoffen hergestellt sind, daß die beiden Teile der Steuerelektrode in Reihe geschaltet sind und daß den in Reihe geschalteten Teilen der Steuerelektrode ein Strom solcher Größe zuführbar ist, daß Steuer- und Torelektrode den normalleitenden Zustand annehmen.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit einer der Torelektrode in Reihe geschalteten Widerstandsbelastung, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Belastung so bemessen

ist, daß die -^--Zeitkonstanten entsprechender Stromwege sowohl im normalleitenden als auch im supraleitenden Zustand der Torelektrode wenigstens annähernd gleich sind.

5. Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Steuer- als auch die Torelektrode derart aus dem supraleitenden Zustand geschaltet werden, daß Widerstand und Induktivität der Torelektrode abrupt zunehmen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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