DE1227936B - Astabile und monostabile Supraleiter-Kippschaltung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03k

Deutsche KL: 21 al-36/02

Nummer: 1227 936

Aktenzeichen: 116566 VIII a/21 al

Anmeldetag: 12. Juni 1959

Auslegetag: 3. November 1966

Die Erfindung betrifft eine astabile und monostabile Kippschaltung, die durch eine Supraleiterschaltung mit zwei von einer Gleichstromquelle parallelgespeisten Leitern, die durch Feldstärkeänderungen des auf den Supraleiter einwirkenden Magnetfeldes zwischen supraleitend und nonnalleitend umsteuerbar sind, realisiert wird.

Für die Verwendung in Rechen- und Steuereinrichtungen elektronischer Geräte sowie zur automatischen Datenverarbeitung wurden in der letzten Zeit Schaltungselemente entwickelt, bei denen die Eigenschaften der bekannten Supraleiter ausgenutzt werden. Bei der Erhöhung der Feldstärke eines auf sie einwirkenden Magnetfeldes gehen sie vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand über. So ist durch die britische Patentschrift 666 883 eine Schaltung als Verstärker bekanntgeworden, bei welchem die Widerstandsänderung eines Leiters im Übergangsbereich vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand zur Steuerung eines Stromes ausgenutzt wird. Die Übergangsbereiche zwischen dem normalleitenden und dem supraleitenden Zustand bei den üblicherweise für Supraleiter verwendeten Materialien, wie z.B. Niobium, Blei und Tantal, sind so scharf, daß diese Schaltelemente als bistabile Kippschaltungen Verwendung finden können.

Eine besondere Ausführung nach dieser britischen Patentschrift besteht in einer nicht sinusförmig schwingenden Oszillatorschaltung. Diese Oszillatorschaltung besteht aus einem über einen Vorwiderstand an einer Gleichstromquelle liegenden Resonanzkreis, aus einer Spule und einem Kondensator sowie einer zusätzlichen Spule und einem umsteuerbaren Supraleiter.

Außerdem ist in »Proceedings of the IRE« vom April 1956, S. 482 bis 493, eine Schaltungsanordnung bekanntgeworden, die Verknüpfungsschaltungen, Torschaltungen, Kippschaltungen und Oszillatoren durch miteinander gekoppelte Supraleiter verwirklicht. Die-Sies supraleitende Schaltelement, das sogenannte Kryotron, setzt sich aus einem zentralen Leiter und einer ihm umgebenden Steuerspule, die aus unterschiedlichen supraleitfähigen Materialien bestehen, zusammen. Das Schaltelement ist nach der Veröffentlichung so aufgebaut, daß das Magnetfeld eines Stromes in der Steuerspule nur die Supraleitung des zentralen Leiters aufhebt. Das so gebildete Kryotron ist im Prinzip also eine Torschaltung. Durch das Zusammenschalten zweier dieser Torschaltungen kann eine bistabile Kippschaltung geschaffen werden. Bei der Verwendung einer bistabilen Kippschaltung werden zur einwandfreien Wirkungsweise noch zusätzliche Steuerkryotrone angegeben. Größere Schalt-

Astabile und monostabile Supraleiter-Kippschaltung

Anmelder:

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen

Gesellschaft m. b. H.,

Sindelf ingen, Tübinger Allee 49

Als Erfinder benannt:

Gerald Blough Rosenberger, Saugerties, N.Y.;

Oliver Woodrow Johnson jun., ₁

Brooklyn, N.Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 13. Juni 1958

netzwerke, wie sie z.B. in elektronischen Rechenmaschinen Verwendung finden und benötigt werden, sind also mit diesem Schaltelement ausführbar. Diese Supraleiterschaltungen haben allerdings den Nachteil, daß zur Realisierung einer Kippschaltung zwei komplizierte Supraleiter benötigt werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine supraleitende Schaltungsanordnung, die zum Aufbau von Kippschaltungen geeignet ist, bei geringem technischem Aufwand und besserem Schaltverhalten als die bisher bekannten Schaltungen mit zwei von einer Gleichstromquelle gespeisten Supraleitern zu schaffen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß einer der beiden parallel gespeisten Leiter ein in seinem Leitfähigkeitszustand umsteuerbarer Supraleiter und der andere ein dauernd im normalleitenden Zustand befindlicher Leiter ist und daß der Widerstand des Supraleiters in seinem normalleitenden Zustand groß ist gegen den Widerstand des dauernd im normalleitenden Zustand befindlichen Leiters. Soll eine derartige Anordnung als astabile Kippschaltung betrieben werden, so wird der Strom durch die beiden parallelgeschalteten Leiter zweckmäßigerweise derart gewählt, daß sein Magnetfeld im Supraleiter ausreicht, um diesen in den normalleitenden Zustand zu bringen. Dann führt die Anordnung selbsttätig Kippschwingungen aus, und es entstehen an ihr in regelmäßigen Abständen je nach ihrer Dimensionierung Impulse kürzerer oder längerer Dauer. Wenn dagegen das Magnetfeld dieses Stro-

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mes gerade nicht ausreicht, um den Supraleiter in den normalleitenden Zustand zu bringen, so kann dieser durch kurzzeitiges Anlegen eines äußeren Magnetfeldes umgesteuert werden, so daß die Anordnung als monostabile Kippschaltung arbeitet.

Zur Verminderung der Induktivität der beiden parallelgeschalteten Leiter kann eine dauernd supraleitende Schicht in ihrer unmittelbaren Nähe angeordnet werden.

Diese Schaltungsanordnung besitzt gegenüber den bekannten den großen Vorteil, daß sehr billige komplexe Schaltungen, die besonders in Datenverarbeitungsanlagen und Fernsprechvermittlungsanlagen benötigt werden, aufgebaut werden können, da der eine Leiter jedes Grundelementes ein normalleitender Leiter und kein Supraleiter zu sein braucht.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erklärt. In den Zeichnungen bedeutet

Fig. 1 die Kippschaltung nach der Erfindung,

F i g. 2 die zum Aufbau des monostabilen Multivibrators in der Anordnung nach F i g. 1 erforderlichen Änderungen,

F i g. 3 das Ersatzschaltbild und

F i g. 4 und! 5 den zeitlichen Verlauf der Spannung bzw. der Ströme der Anordnung nach Fig. 1.

In F i g. 1 ist eine bei sehr niedrigen Temperaturen verwendbare astabile Kippschaltung gezeigt, bei welchem auf einer geeigneten elektrisch isolierenden, aber wärmeleitenden Unterlage 2 die supraleitenden Inseln oder erhöhten Teile 4 und 6 aufgedampft sind. Ein Band 8 aus supraleitfähigen! Material überbrückt die Inseln 4 und 6. Parallel zu dem Band 8 liegt eine Leitung 10 mit relativ niedrigem, aber endlichem Widerstand. Supraleitfähige Elemente 12 und 14 in Form von sehr dünnen Folien sind an den Inseln 6 bzw. 8 durch Wärme und Druck befestigt und dienen als Anschlußklemmen für eine durch die Batterie 16 dargestellte Gleichstromquelle. Die Ausgangsleitungen 18 und 20 ähneln den Supraleiterfolien 12 und 14 und sind an die Ausgangsklemmen 22 und 24 angeschlossen. Die Ausgangswellenformen der Kippschaltung können an diesen Klemmen 22 und 24 abgenommen werden.

In einer als Beispiel angeführten Kippschaltung besteht das Band 8 aus aufgedampften Blei mit einer Stärke von 0,1 μ und einer Breite von 0,15 mm und einer Länge von etwa 12 mm. Das mit Widerstand behaftete Element 10 hat dann eine Länge von 12 mm und besteht aus Kupferdraht von 0,1 mm Durchmesser. Die Inseln oder erhöhten Teile 4 und 6 bestehen aus aufgedampftem Blei mit einer Stärke von etwa 1 μ. Wenn die gesamte Anordnung in ein Bad aus flüssigem Helium eingetaucht wird, wird der Kupferdraht 10 niemals supraleitend, während die Elemente 4, 6,12, 14,18 und 20 stets supraleitend bleiben. Das Band 8 bleibt supraleitend, bis sein kritischer Stromwert erreicht ist. Der Widerstand des supraleitenden Bandes 8 ist bei seinem Übergang aus dem supraleitenden in den normalen Zustand etwa hundertmal so groß wie der Widerstand des Kupferdrahtes 10.

Die Beschreibung des in F i g. 1 gezeigten Oszillators wird erleichtert durch Zuhilfenahme von F i g. 3,4 und 5. In F i g. 3 stellt R_pb den Widerstand und L_ob die Induktivität des supraleitenden Elements 8 dar, und R_cu und L_ca bezeichnen den Widerstand bzw. die Induktivität des Kupferdrahtes 10. Wenn der Schalter 26" Von Fi g. 1 geschlossen wird,' teilt "sich der Strom von der Batterie 16, der von der Insel 4 zur Insel 6 fließt, vorübergehend auf den Kupferpfad 10 und den Bleipfad 8 auf, und zwar umgekehrt zu den Induktivitäten dieser beiden Pfade, fließt dann aber wegen dessen Widerstandslosigkeit gänzlich durch den supraleitenden Pfad 8. Wenn der von der Batterie 16 kommende Strom den kritischen Strom (Icr) des Bleifilms 8 überschreitet, wird letzterer in

ίο seinen normalen mit Widerstand behafteten Zustand getrieben, und seine Temperatur erhöht sich infolge der Stromwärme I_pb ²R_pb. Da der Widerstand des jetzt normalen leitenden Bleibandes 8 viel höher ist als der des Kupferdrahtes 10, wird fast der ganze angelegte Gleichstrom auf den Kupferpfad 10 geschaltet. Dieser Stromfluß in der Leitung 10 hält an, bis das Bleiband 8 sich genügend weit abkühlt, um in den supraleitenden Zustand zurückzukehren. Das Bleiband' 8 bleibt im supraleitenden Zustand, bis der von ihm geführte Strom den kritischen Strom des Bleibandes überschreitet. Dieser Zyklus wiederholt sich jetzt. Die Frequenz dieser Schwingungen wird durch eine über die Ausgangsklemmen 22 und 24 geschaltete geeignete Frequenzmeßvorrichtung abgelesen.

Die an der Vorrichtung erzeugte Spannung und die abgeleiteten Ströme sind in Fig. 4 und 5 dargestellt. Der kritische Strom wird in dem Bleiband 8 zur Zeit T₁ erreicht und veranlaßt das Blei, in den mit Widerstand behafteten Zustand überzugehen und sich zu erwärmen. Der größte Teil des Stromes von der Batterie 16 wird von dem Kupferpfad 10 übernommen, und zwar ist die Umschaltzeit eine Funktion von

Die Spannungsspitze S in Fig. 4 ist eine Folge des durch diesen schnell schaltenden Strom bewirkten

Produkts L-^-. Da die Stromschaltgeschwindigkeit zur Zeit T₁ am höchsten ist, erscheint die Spitzecaausgangsspannung zu diesem Zeitpunkt. Die Spannung fällt ab gemäß der Formel

F=ivexp -

RT ~L~'

wobei

R_ L

-¹Pb

und R_pb eine Funktion der schwankenden Temperatur des Bleibandes 8 ist. Die Spannungsstufe zwischen T₂ und T₃ wird durch das Produkt

Rpb ' Reu γ

bestimmt, wobei / der angelegte Strom ist. Die Periode zwischen T₂ und T₃ stellt eine thermische Zeitkonstante oder thermische Verzögerung dar, welche eine Funktion der Differenz zwischen der von dem Bleiband 8 abfließenden Wärme und der Stromwärme I_pb ²Rpb ist; die in dem Band während des normalen mit Widerstand behafteten Zustandes oder Ubergangszustandes des Bandes erzeugt wird.

Zur Zeit T₃ kehrt das Bleiband 8 in den supraleitenden Zustand zurück und bewirkt die Rück-

schaltung des Stroms zu dem supraleitenden Bleipfad 8. Diese Schaltzeit ist eine Funktion von

-¹Pb

Die Erfindung dient vor allem als Taktimpulsgeber in elektronischen Rechenmaschinen. Bei Verwendung als monostabile Kippschaltung ist der Ausgangsimpuls nahezu unabhängig von dem an die Schaltung angelegten Umschaltimpuls.

und ist viel länger als die Schaltzeit beim Übergang von Pfad 8 zu Pfad 10, weil während des letztgenannten Überganges i?_Pz,>- R_cu. In der hier gezeigten Kippschaltung ist die Zeit von T₃ nach T₁ stets viel langer als die Zeit von T₁ bis T₂.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als monostabile Kippschaltung. Ein weiterer dünner Film 28 ist dem Bleiband 8 zugeordnet, aber von ihm isoliert. Eine Eingangsklemme 30 gestattet die Anlegung eines Impulses von sehr kurzer Dauer an den dünnen Film 28. Der Strom von der Batterie 16 wird so gewählt, daß er das supraleitende Bleiband 8 nur in Richtung auf seinen normalen mit Widerstand behafteten Zustand hin vorspannt, aber nicht ausreicht, um es in den normalen Zustand zu bringen. An die Eingangsklemme 30 wird ein kurzer Impuls solcher Polarität angelegt, daß er ein Feld induziert, welches zu dem von dem Vorspannungsstrom erzeugten Feld beiträgt. Er veranlaßt das Bleiband 8, in den Normalzustand überzugehen und sich zu erwärmen, wodurch der Vorspannungsstrom zu dem mit Widerstand behafteten Zweig 10 umgeschaltet wird. Wenn das Band 8 auf seine supraleitende Temperatur abkühlt, hält der Vorspannungsstrom in dem Band vor. Der an den Klemmen 22 und 24 erzeugte Ausgang ist ein einziger Impuls, da die Vorrichtung von F i g. 2 keine Schwingungen aufrechterhält. Der Strom von der Batterie 16 ist allein stets geringer als der kritische Strom des Bleibandes 8.

Die Frequenz der Schwingungen ist von dem Speisestrom 16, der Wärmeableitzeit des Blei-

bandes 8 und der

Zeitkonstante -^r-κ

der

ganzen

Schaltung abhängig. Durch entsprechende Wahl der Stromquelle, des Isoliermaterials der Unterlage 2 oder durch die Auswahl anderer Materialien für die Elemente 8 und 10 kann man die Frequenz der Impulse verändern. Die Gesamtinduktivität der Schaltung kann durch eine in der Nähe der Kippschaltung angeordnete geerdete supraleitende Ebene, die als magnetischer Schirm wirkt, vermindert werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Astabil© und monostabil© Kippschaltung, die durch ein© Supraleitersehaltung mit zwei von einer Gleichstromquelle parallelgespeisten Leitern, die durch Feldfetärkeänderungen eines auf die Supraleiter einwirkenden Magnetfeldes zwischen supraleitend und normalleitend umsteuerbar sind, realisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden parallelgespeisten Leiter (8, 10) ein in seinem Leitfähigkeitszustand umsteuerbarer Supraleiter (8) und der andere ein dauernd im normalleitenden' Zustand befindliche Leiter (10) ist, wobei der Widerstand des Supraleiters (8) in seinem normall eiternden Zustand gegenüber dem Widerstand des dauernd im normalleitenden Zustand befindlichen Leiters groß ist.

2. Kippschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung der Induktivität der beiden parallelgeschalteten Leiter (8, 10) eine dauernd supraleitende Schicht in ihrer unmittelbaren Nähe angeordnet ist.

3. Astabile Kippschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom durch die beiden parallelgeschalteten Leiter (8, 10) derart gewählt wird, daß sein Magnetfeld im Supraleiter (8) ausreicht, um diesen in den normalleitenden Zustand zu bringen.

4. Monostabile Kippschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom durch die beiden parallelgeschalteten Leiter (8, 10) derart gewählt wird, daß sein Magnetfeld im Supraleiter (8) gerade nicht ausreicht, um diesen in den normalleitenden Zustand zu bringen, und daß der Supraleiter (8) durch kurzzeitiges Anlegen eines äußeren Magnetfeldes in seinen normalleitenden Zustand umgesteuert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 666 883;
»Proc. of the IRE«, April 1956, S. 482 bis 493.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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