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Oszillatorschaltung mit Tunneldiode Die Erfindung betrifft eine Oszillatorschaltung,
bei der die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors und emitterseitig in Reihe
dazu eine Tunneldiode an eine gemeinsame Gleichstromquelle angeschaltet sind mit
einem Spannungsteiler zur Gewinnung der Basisvorspannung des Transistors. Tunneldioden
sind neuerdings in der Fachliteratur wiederholt beschrieben worden. Es wird z. B.
verwiesen auf die Veröffentlichung »GaAs-Tunneldiode« in der »Zeitschrift für Naturforschung«,
Bd. 14 a, Heft 12, S. 1072 und 1073. Die Strom-Spannungs-Charakteristik einer Tunneldiode
ist überdies in der F i g. 2 quantitativ dargestellt.
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Vorgeschlagen ist ein getasteter Oszillator, bei dem der in Reihe
zur Tunneldiode geschaltete Transistor so vorgespannt ist, daß der Arbeitspunkt
der Tunneldiode lediglich bei Anwesenheit eines Eingangssteuersignals im negativen
Bereich der Kennlinie, sonst in deren positivem Bereich liegt. Die Frequenz, der
bei Anwesenheit eines Eingangssteuersignals erzeugten Schwingung, ist konstant.
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Gemäß der Erfindung sind zur Erzielung stationärer Schwingungen die
Gleichspannungs- und die Spannungsteilerverhältnisse so bemessen, daß der Arbeitspunkt
der Tunneldiode im fallenden Kennlinienbereich liegt und daß wenigstens einer der
Spannungsteilerwiderstände zur Änderung der Frequenz der erzeugten Schwingungen
veränderbar ist.
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Die Anordnung der Tunneldiode in der Emitter-Kollektor-Leitung des
Transistors hat den Vorteil, daß kein niederohmiger Spannungsteiler notwendig ist,
um einen gleichstromstabilen Arbeitspunkt im fallenden Kennlinienbereich der Tunneldiode
zur Erzeugung stationärer Schwingungen einstellen zu können. Aus dieser Maßnahme
ergibt sich eine hohe Eingangsempfindlichkeit. Es ist so die Möglichkeit geboten,
die Schwingungsfrequenz des Oszillators während des Betriebes zu verändern. Bei
entsprechender Wahl der veränderlichen Widerstände, beispielsweise bei Verwendung
magnetfeldabhängiger oder strahlungsempfindlicher Widerstände, können mit der erfindungsgemäßen
Oszillatorschaltung veränderliche, auf die Widerstände einwirkende physikalische
Größen, wie Magnetfelder oder Lichtintensitäten, in eine Frequenzänderung umgeformt
werden. Die Halbleiteranordnung ist daher insbesondere auf dem Gebiet der Steuerungs-,
Meß- und Regelungstechnik vorteilhaft anwendbar.
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Die Oszillatorschaltung nach der Erfindung ermöglicht die Erzeugung
stationärer Schwingungen beliebiger Kurvenform, die von den elektrischen Daten der
verwendeten Elemente abhängt. Es kann sich auch um Kippsprünge handeln. Die spezielle
Art von Schwingungen eignet sich besonders zur Durchführung von Schaltvorgängen.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung und
die Ausführungsbeispiele verwiesen; es zeigt F i g. 1 ein schematisches Ausführungsbeispiel
der Oszillatorschaltung gemäß der Erfindung, F i g. 1 a die Strom-Spannungs-Charakteristik
der Anordnung gemäß der Erfindung, F i g. 2 die Strom-Spannungs-Charakteristik einer
in der Anordnung verwendeten Tunneldiode, F i g. 3 ein Diagramm über die Abhängigkeit
des Stromes 1 von den Spannungsteilerwiderständen für die Anordnung gemäß der Erfindung,
F i g. 4 ein Diagramm über die Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz von den Spannungsteilerwiderständen,
F i g. 5 eine »gestreckte« Strom-Spannungs-Charakteristik der Anordnung gemäß der
Erfindung.
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In F i g. 1 ist mit 11 eine Tunneldiode, die in die Emitterleitung
eines Transistors 12 geschaltet ist, bezeichnet. Die Widerstände 13 und 14 sind
als Spannungsteiler geschaltet und dienen zur Einstellung eines bestimmten Basispotentials.
Mit 15 ist ein Belastungswiderstand gekennzeichnet. Die Gleichspannungsquelle 16
ist zur gemeinsamen Stromversorgung F i g. 1 a zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik
des Transistors und der Tunneldiode vorgesehen.
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der Anordnung Tunneldiode-Transistor gemäß der Erfindung. Der Strom
1 durch den Transistor ist gleich dem durch die Tunneldiode und ist auf der Ordinate
abgetragen. Die Basis-Emitter-Spannung UBE ist als charakteristischer Parameter
des Transistors aufgetragen. Nach dem Einschalten der Gleichspannungsquelle 16,
deren Spannung U, auf der Abszisse dargestellt ist, steigt der Strom durch Transistor
und Tunneldiode bis zum Strommaximum der Tunneldiode
an (F i g.
l a). Wird dieses Maximum überschritten, springt die Spannung an der Tunneldiode
auf einen höheren Wert U", der etwa bei 1 V liegt. Die Basis-Emitter-Spannung des
Transistors ist durch die Beziehung gegeben: UBE = UR r.s - UD Es bedeutet
UBE = Basis-Emitter-Spannung, UR 13 = Spannungsabfall am Spannungsteilerwiderstand
13, UD = Spannung an der Tunneldiode. Der Spannungsabfall UR" soll konstant
sein; das bedeutet, daß die Spannungsteilerwiderstände 13 und 14 nicht zu hochohmig
bemessen sein dürfen. Aus der obigen Beziehung für die Basis-Emitter-Spannung ist
ersichtlich, daß diese kleiner wird, wenn die Tunneldiodenspannung auf einen höheren
Wert U., (F i g. 1 a) anwächst.
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Der Strom durch den Transistor wird folglich verkleinert, so daß der
Transistor sperrt. Durch geeignete Bemessung der Widerstände 13 und 14 kann die
Verkleinerung des Transistorstromes so eingestellt werden, daß dieser kleiner wird
als der Tunneldiodenstrom in Minimum ihrer Kennlinie. In diesem Fall springt die
Spannung an der Tunneldiode wieder zurück auf einen kleineren Wert U1, der Strom
durch Transistor und Tunneldiode steigt wieder an, und der Zyklus beginnt von neuem.
Es entsteht eine Schwingung.
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Im folgenden ist ein quantitatives Ausführungsbeispiel für die Erzeugung
von Schwingungen mittels der erfindungsgemäßen Anordnung angeführt: Die verwendete
Tunneldiode 11 ist eine GaAs-Tunneldiode, deren Kennlinie in F i g. 2 quantitativ
dargestellt ist. Der mit dieser in Reihe geschaltete Transistor 12 ist vom Typ TF
78/30. Der Lastwiderstand 15 beträgt 230 52. Als gemeinsame Gleichstromquelle 16
für Tunneldiode und Transistor dient eine handelsübliche Gleichstrombatterie von
12 V. Der Spannungsteilerwiderstand 13 ist auf 130 9 und der Spannungsteilerwiderstand
14 auf 3 kQ bemessen. Die Halbleiteranordnung schwingt in diesem Fall mit einer
Grundfrequenz von etwa 28 kHz.
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Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber einer allein schwingenden Tunneldiode
liegt darin, daß einerseits eine normale handelsübliche Gleichstrombatterie verwendet
werden kann und andererseits gleichzeitig die Verstärkereigenschaften eines Transistors
ausgenutzt werden können.
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Im Beispiel beträgt der Spannungshub am Lastwiderstand 10 V". Der
Lastwiderstand muß immer etwas kleiner sein als das Verhältnis
damit ein Überschreiten des Maximums der Tunneldiodenkennlinie möglich ist. U, bedeutet
die Spannung der Gleichstrombatterie 16.
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Werden als Spannungsteilerwiderstände 13 und 14 veränderliche Widerstände
verwendet, so läßt sich auch die Frequenz der erzeugten Schwingungen in einem gewissen
Bereich ändern. Werden ein oder beide Spannungsteilerwiderstände veränderlich ausgeführt,
können veränderliche physikalische Größen in eine Frequenzänderung umgeformt werden.
Wird der Spannungsteilerwiderstand 13 in seinem Betrag z. B. zwischen 130 und 200
52 verändert und wird der Widerstand 14 konstant gehalten, so verändert sich die
Frequenz der erzeugten Schwingungen im Bereich von 28 bis etwa 48 kHz. Als veränderliche
Widerstände sind magnetfeldabhängige Widerstandselemente, z. B. Magnetfeldscheiben,
oder strahlungsempfindliche Widerstände, z. B. Fotodioden, besonders geeignet.
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Bei entsprechender Wahl der Spannungsteilerwiderstände läßt sich die
Anordnung gemäß der Erfindung auch zum kontaktlosen Schalten verwenden. Bei größer
werdendem Widerstand 14 hat der Basisstrom IB einen immer größeren Einfluß auf die
am Widerstand 13 abfallende Spannung UR",. Dieser Spannungsabfall ergibt sich aus
folgender Beziehung:
Das Basispotential bleibt infolgedessen nicht mehr starr, und die Spannung
URI, erhöht sich, wenn der Basistrom kleiner wird. Die durch den Spannungssprung
an der Tunneldiode bewirkte Spannungserhöhung hat eine Verkleinerung der Basis-Emitter-Spannung
zur Folge. Diese Verkleinerung der Basis-Emitter-Spannung bewirkt wiederum eine
Verkleinerung des Basisstromes bei hochohmigem Widerstand 14, und damit ist eine
Erhöhung der Spannung UR 1,3 verbunden. In diesem Fall können die Spannungsteilerwiderstände
13 und 14 so gewählt werden, daß nach dem Sprung vom Strommaximum zum Stromminimum
das letztere nicht mehr unterschritten wird. Ein zweiter stabiler Arbeitspunkt stellt
sich ein und damit ein Kippsprung (Schaltvorgang).
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Im folgenden ist ein quantitatives Ausführungsbeispiel für die Erzeugung
eines Kippsprunges (Schaltvorganges) mittels der erfindungsgemäßen Anordnung angeführt:
Die verwendete Tunneldiode ist eine GaAs-Tunneldiode, deren Kennlinie in F i g.
2 dargestellt ist. Der mit dieser in Reihe geschaltete Transistor ist vom Typ TF
78/30. Der Lastwiderstand beträgt 230 9.
Als gemeinsame Gleichstromquelle
für Tunneldiode und Transistor dient eine handelsübliche Gleichstrombatterie von
12 V. Der Spannungsteilerwiderstand 14 ist auf 7 k52 bemessen. Läßt man den Spannungsteilerwiderstand
13 in den Grenzen von 470 und 480 S2 variieren, so erzeugt die Halbleiteranordnung
einen Kippsprung. Dieser Schaltvorgang kann ausgelöst werden, wenn einer der beiden
oder beide Widerstände durch eine physikalische Größe verändert werden.
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F i g. 3 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit des Stromes I von
den Spannungsteilerwiderständen für die Kombination Tunneldiode-Transistor gemäß
der Erfindung. Auf der Abszisse ist der Widerstand 13 in Ohm und auf der Ordinate
der Strom I in der Halbleiteranordnung in Milliampere aufgetragen. Der Widerstand
14 ist für jeden einzelnen Vorgang als fester Parameter gewählt. Die Bereiche, in
denen Schwingungen auftreten, sind besonders gekennzeichnet. Wie in der Figur dargestellt
ist, treten bei den Schaltvorgängen Hysteresekurven im Stromwiderstandsdiagramm
auf. Das hat den Vorteil, daß für einen bestimmten Widerstand 13 zwei stabile Zustände
möglich sind. Wird der Transistor 12 zwischen Basis und Emitter oder Basis und Klemme
1 oder die Tunneldiode 11 mit einem positiven bzw. negativen
Impuls
oder mit entsprechender Gleichspannung angesteuert, so wird ein Schaltvorgang ausgelöst,
je nachdem, in welchem stabilen Zustand sich die Schaltanordnung befindet.
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Die überlappung der beiden Kennlinienbereiche, d. h. die Breite der
Hysterese, ist um so größer, je hochohmiger der Widerstand 14 gewählt wird.
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Der zum Schalten notwendige Impuls bzw. die Gleichspannung am Eingang
des Transistors muß lediglich so groß sein, daß der Kollektorstrom mit Sicherheit
etwa größer als der Strom im Maximum der Tunneldiode ist.
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F i g. 4 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Frequenz der
von der Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung erzeugten Schwingungen von den Spannungsteilerwiderständen
13 und 14. Auf der Abszisse ist der Widerstand 13 in Ohm und auf der Ordinate ist
die Frequenz der erzeugten Schwingung in Kilohertz aufgetragen. Der Widerstand 14
ist jeweils als fester Parameter angegeben.
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Zur Erzeugung sehr langsamer Kippvorgänge mittels der erfindungsgemäßen
Anordnung wird in der Schaltung gemäß F i g. 1 der Lastwiderstand 15 so dimensioniert,
daß der Arbeitspunkt der Tunneldiode kurz vor dem Strommaximum ihrer Kennlinie liegt
und der Transistor in der Gegend des Strommaximums sich merklich erwärmt. Der Transistorstrom
steigt dadurch an und löst einen Schaltvorgang aus. Die dadurch bedingte Verkleinerung
der Basis-Emitter-Spannung reduziert den Strom im Transistor. Der Transistor kühlt
ab, der Kollektorstrom verkleinert sich weiterhin und unterschreitet schließlich
das Stromminimum der Tunneldiode. Der ursprüngliche Arbeitspunkt stellt sich wieder
ein, und der Zyklus beginnt von neuem. Durch Variation des Lastwiderstandes läßt
sich die Frequenz der entstehenden Schwingung in gewissen Grenzen beeinflussen.
Wird der Arbeitspunkt der Tunneldiode so eingestellt, daß gerade noch keine merkliche
Erwärmung des Transistors stattfindet, kann diese Anordnung z. B. als Temperaturfühler
verwendet werden, da eine geringe Erhöhung der Umgebungstemperatur ausreicht, die
Schwingungen anzufachen.
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Zur Erzeugung von angenähert sinusförmigen Schwingungen mittels der
erfindungsgemäßen Anordnung wird der Lastwiderstand 15 in F i g. 1 durch einen Parallel-Schwingungskreis
ersetzt. Bei geeigneter Wahl der Spannungsteilerwiderstände 13 und 14 kann eine
»Streckung« der Kennlinie des aus der Tunneldiode 11 und dem Transistor 12 bestehenden
Zweipols erreicht werden. Das bedeutet eine Erhöhung des Betrages des negativen
Widerstandes RNz des Zweipols. Ein Kriterium dafür, ob eine angenähert sinusförmige
Schwingung erreicht wird, bildet die Beziehung:
Es bedeutet RNZ = negativer Widerstand des Zweipols, L = Induktivität des Schwingungskreises,
C = Kapazität des Schwingungskreises. Wird z. B. der Spannungsteilerwiderstand 13
mit 160 b2 und der Spannungsteilerwiderstand 14 mit 2 kS2 bemessen, und beträgt
die Induktivität L = 1 mH und die Kapazität C = 0,25 RF, so ergibt sich ein s von
0,5. Die Halbleiteranordnung liefert in diesem Fall eine praktisch sinusförmige
Schwingung mit einer Frequenz von f .-; 10 kHz.
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In F i g. 5 ist die »gestreckte« Strom-Spannungs-Charakteristik des
Zweipols Tunneldiode-Transistor bei Verwendung von Spannungsteilerwiderständen 13
= 160 52 und 14 = 2 k62 dargestellt. Auf der Abszisse ist die Spannung U am Zweipol
und auf der Ordinate der Strom d durch den Zweipol dargestellt.