DE1962221A1

DE1962221A1 - Schwinganordnung

Info

Publication number: DE1962221A1
Application number: DE19691962221
Authority: DE
Inventors: Yoichi Ito; Saburo Matsuda; Tutomu Nakamura
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1968-12-11
Filing date: 1969-12-11
Publication date: 1970-08-20
Also published as: US3913098A; GB1288294A

Description

8l68-69/Kö/s

Convention Dates:

December 11, 1968 and

January 18, I969

Hayakawa Denki Kögyo Kabushiki Kaisha, Osaka, Japan

Schwinganordnung

Die Erfindung betrifft eine Schwinganordnung unter Verwendung eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements mit negativer Widerstandscharakteristik, insbesondere eine Schwinganordnung, bei welcher der Schwing- oder Schaltvorgang eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements mit stromgesteuerter negativer Widerstandscharakteristik für die Gewinnung eines Ausgangslichtsignals bei Normaltemperatur verwendet wird.

In letzter Zeit haben sich in der Optoelektronik, besonders -'% auf dem Gebiet der Nachrichtentechnik, der Datenverarbeitungstechnik und verwandten Gebieten sehr rasche Entwicklungen vollzogen. Es sind verschiedene Arten von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen mit Laseremission und Feldlichtemission bekannt, während andererseits Halbleiterbauelemente wie die Tunneldiode, die zwar kein Licht emittiert, jedoch eine negative Widerstandscharakteristik aufweist, ebenfalls bekannt sind. Dagegen ist ein Halbleiterbauelement, das Licht emittiert und eine negative Widerstandscharakteristik aufweist^ derzeit für praktische Zwecke noch nicht verfügbar. Obwohl bestimmte lichtemittierende Halbleiterbauelemente unter bestimmten Voraussetzungen eine negative Widerstandscharak-

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teristik aufweisen, tritt diese negative Widerstandscharakteristik , nur bei sehr niedrigen Temperaturen von beispielsxieise 77 K auf, oder sie ist, wenn sie bei Zimmertemperatur auftritt, unstabil.. Ferner beträgt der Wirkungsgrad der Lichtemission nur ungefähr 0,1 % und lassen sich derartige Bauelemente kaum in reproduzierbarer Weise herstellen, da die Herstellungsverfahren kompliziert und schwierig sind, so daß diese Bauelemente in der Praxis kaum verwendbar sind. Solche bekannten Bauelemente kommen daher für die Verwendung in einer Schaltung, die bei Normaltemperatur betrieben werden soll, kaum in Frage.

Es wurde jedoch gefunden, daß das lichtemittierende HaIb- - leiterbauelement mit negativer Widerstandscharakteristik so ein- ^T gerichtet werden kann, daß es zwei stabile Zustände, nämlich einen gesperrten oder Niederstromzustand und einen aktiven oder Hochstromzustand sowie außerdem ein Gebiet negativen Widerstands aufweist. Es wurde ferner gefunden, daß ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement der oben genannten Art so eingerichtet werden kann, daß es zwischen den beiden stabilen Zuständen schaltet und schwingt, wenn die Widerstandsgerade geeignet festgelegt'wird.

Kürzlich wurde im Zusammenhang mit vorliegender Erfindung ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement aus Galliumarsenid entwickelt, das eine stabile negative Widerstandscharakteristik bei Zimmertemperatur aufweist, einen Lichtemissionswirkungsgrad ^ von ungefähr 3 %, der wesentlich höher ist als bei den bekannten Bauelementen, hat und sich leicht und mit guter Reproduzierbarkeit herstellen läßt. Die Erfindung betrifft eine Schwinganordnung, die mit diesem kürzlich entwickelten lichtemittierenden Halbleiterbauelement arbeitet, wobei dessen Schalt- und Schwingvorgang ausgenützt" wird, um eine Oszillatorwirkung zu erzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schwing- oder Oszillatoranordnung zu schaffen, die mit einem lichtemittierenden Halbleiterbauelement mit negativer Widerstandscharakteristik arbeitet.

Die Schwinganordnung soll einfach ausgebildet sein und bei

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Zimmertemperatur ohne komplizierte Hilfsmittel stabil schwingen können.

Sie soll ferner so ausgebildet sein, daß gleichzeitig ein elektrisches und ein Lichtausgangssignal gewonnen werden kann, das ohne weiteres auf andere Schaltungen, die ohne weiteres ein Ausgangssignal erzeugen können, gekoppelt werden kann.

Das verwendete lichtemittierende Halbleiterbauelement soll mit hoher Geschwindigkeit zwischen zwei stabilen Zuständen schalten und mit hoher Frequenz schwingen können.

Zur Lösung dieser Aufgabe enthält die erfindungsgemäße

Schwinganordnung,.in welcher ein lichtemittierendes Halbleiterbau- g element mit negativer Widerstandscharakteristik verwendet wird, eine Anordnung zum Speichern eines von außen zugeführten elektrischen Signals , beispielsweise in Form einer Integrierschaltung mit einer Zeit konstante, sowie ein oder mehrere lichtemittierende Halbleiterbauelemente, deren jedes jeweils bei Empfang des von der Speicheranordnung gespeicherten elektrischen Signals Licht emittiert und eine negative Widerstandscharakteristik aufweist, die zwischen zwei stabilen Zuständen schaltbar ist*

Das erfindungsgemäße lichtemittierende Bauelement mit negativer Widerstandscharakteristik besteht aus einer vierschichtigen pnpn-Anordnui £ und hat ein einem Niederstromzustand entsprechendes Sperrgebiet mit so hohem positiven Widerstand, daß der Strom I mit der Spaniumg V ansteigt, ein einem Hpchstromzustand entsprechendes aktives Gebiet mit einem niedrigen positiven Widerstand sowie ein negatives Widerstandsgebiet mit einem solchen negativen Widerstand, daß der Strom I mit ansteigender Spannung V absinkt, wobei seine Lichtemissionsstärke dem Stromfluß proportional ist. Das lichtemittierende Halbleiterbauelement wird nach einem epitaktischen ■Aufwachsverfahren aus der Flüssigphase in der Weise hergestellt, daß die p- und n—Schichten abwechselnd unter genauer Temperaturkontrolle auf ein Galliumarsenidsubstrat unter Verwendung VQn lediglich Silicium als Dotierstoff aufgewachsen, werden. Das Bauelement ist dadurch gekennzeichnet, daß es Licht bei Normaltempera-

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tür emittiert, eine negative Widerstandscharakteristik aufweist und hauptsächlich Feldlichtemission erzeugt^". Der Lichtemissionswirkungsgrad beträgt ungefähr 3 %, d.h. um mehrere Zehnfache mehr als bei bekannten Bauelementen, und es läßt sich leicht mit guter Reproduzierbarkeit herstellen.

Wenn erfindungsgemäß die Widerstandsgerade des lichtemittieren den Bauelements so festgelegt wird, daß sie die Strom/Spannungskennlinie im negativen Widerstandsbereich schneidet, steigt bei Speicherung des von außen zugeführten elektrischen Signals in der Speicherschaltung die Klemmenspannung des lichtemittierenden Bauelements allmählich an, bis sie den Schwellwert V,, innerhalb des

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Sperrbereichs der Strom/Spannungskennlinie ,erreicht. Während dieser Zeit ist der Stromfluß im lichtemittierenden Bauelement sehr gering, und es wird .kaum Licht" emittiert. Wenn dagegen dem Bauelement von der Speicherschaltung eine die Schwellenspannung übersteigende Spannung zugeführt wird, schaltet das Bauelement sehr rasch in den aktiven Bereich, so daß ein starker Strom fließt und kräftig Licht emittiert wird. Unter diesen Bedingungen fällt der Innenwiderstand des Bauelements stark ab, so daß das Bauelement weitgehend leitend wird und die in der Speicherschaltung gespeicherte Ladung sehr rasch durch das Bauelement entladen wird. Als Folge davon fällt die Klemmenspannung des Bauelements unter den Haltespannungswert V, ab, so daß das Bauelement in den Sperr— bereich geschaltet wird und die Lichtemission aufhört, Anschliessend steigt bei Zuführung des elektrischen Signals von außen die Klemmenspannung des Bauelements wieder an, und der Vorgang wiederholt sich. Es wird daher bei dieser Schwinganordnung die Zeit-, während welcher die Klemmenspannung des lichtemittierenden Bauelements den Schwellwert V., erreicht, durch die Spannung des von außen gelieferten elektrischen Signals sowie durch die Zeitkonstante der Speicherschaltung bestimmt, während die Schwingungsperiode durch diese Zeit bestimmt wird. Andererseits kann man die Schwinganordnung auch so ausbilden, daß die Widerstandsgerade des lichtemittierenden Bauelements die Strom/Spannungskennlinie im aktiven oder im Sperrbereich schneidet und die Schaltcharakteristik des Bauelements ausgenützt wird. In diesem Fall wird das von

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.außen zugeführte elektrische Signal entweder positiv oder negativ gemacht und kann das Bauelement vom einen in den anderen stabilen Zustand geschaltet werden. Um Dauerschwingungen zu erzeugen, kann man die Polarität des Eingangssignals steuern oder das Schalten des stabilen Zustande mittels des Lichtausgangssignals oder des elektrischen Ausgangssignals vom lichtemittierenden Bauelement wahrnehmen und damit den Arbeitsbereich des Bauelements in den ursprünglichen Arbeitsbereich umkehren.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 die schematische Darstellung eines in der erfindungsgemäßen Anordnung verwendbaren lichtemittierenden Halbleiterbauelements j ™

Figur 2 die Strom/Spannungscharakteristik des Bauelements nach Figur 1;

Figur 3 ein Diagramm der Spektralverteilung der Lichtemission des Bauelementsj

Figur 4 ein Diagramm, das die Lichtemissionsstärke P als Funktion des Stromes für das Bauelement wiedergibt}

Figur 5 das Schaltschema der erfindungsgemäßen Anordnung in ihrer Grundausführung;

Figur 7 und 9 Schaltschemata von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Anordnung; j

Figur 6 und 8 Spannungsverlaufsdiagramme, welche die Arbeitsweise der Anordnungen nach Figur 7 und 9 erläutern;

Figur 10, 12a und 12b Schaltschemata anderer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung;

Figur 11a, lib, 13a, 1.3b und 13c Spannungsverlaufsdiagramme, welche die Arbeitsweise der Ausführungsformen nach Figur 10, 12a und 12b erläutern;

Figur 14 das Schaltschema einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung;

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Figur 15 ein Diagramm, das die Arbeitsweise der Anordnung nach Figur 14 erläutertj

Figur 16 das Schaltschema einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnungj

Figur 19 das Schaltschema einer abgewandelten Ausführungsform der Anordnung nach Figur 16;

Figur 17, 18a, 18b und 18c Diagramme, welche die Arbeitsweise der Anordnungen nach Figur 16 und 19 erläuternj

Figur 20 das Schaltschema einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung; und

Figur 21 ein Diagramm, das die Arbeitsweise der Anordnung nach Figur 20 erläutert.

Es soll zunächst kurz ein Verfahren zur Herstellung des in der erfindüngsgemäßen Anordnung verwendeten lichtemittierenden Halbleiterbauelements beschrieben werden.

Es werden ein Einkristallsubstrat 1 aus Galliumarsenid und

ein siliciumdotierter η-Einkristall mit einer Konzentration an

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freien Elektronen von 6 χ 10 /cm verwendet. Als Dotierstoff wird lediglich Silicium verwendet, und ein lichtemittierendes Galliumarsenidbaüelement in vierschichtiger Ausbildung, wie in Figur 1 gezeigt, wird durch epitaktisches Aufwachsen aus der Flüssigphase hergestellt. Im vorliegenden Fall wird das η-Substrat I aus Galliumarsenid auf 960 C. erhitzt, die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 0,2 C./min. zur Bildung einer p-Schicht 2 von ungefähr 5 Mikron auf dem Substrat 1 erniedrigt, anschließend die Temperatur von 958 C. mit einer Geschwindigkeit von 10 C./min. zur Bildung einer n-Schicht 3 von ungefähr 5 Mikron Dicke auf der p-Schicht 2 erniedrigt und sodann die Temperatur von 954 C. weiter mit einer Geschwindigkeit von 0,2 C./min. erniedrigt und dadurch eine p-Schicht 4 von ungefähr I5O-I8O Mikron auf der n-Schicht 3 gebildet. Bei Anlegen einer Spannung V zwischen die beiden" Klemmen 5 und 6 des so hergestellten lichtemittierenden Halbleiterbauelements ergibt sich für dieses eine Strom/Spannungscharakteristik mit einem Sperrbereich 7> einem negativen Widerstandsbe-

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reich 8 und einem aktiven Bereich 9, wie in Figur 2 gezeigt, wobei je nach der Struktur des Bauelements die Schwellenspannung V..- und der Strom I., 2-2 5 Volt bzw. 0,1-20 mA und die Haltespannung V. und der Strom I, 1,3-1,4 Volt bzw. 1-70 mA betragen. Die Lichtemission erfolgt an den Übergängen zwischen der η-Schicht I und der p-Schicht 2 sowie zwischen der n-Schicht 3 und der p-Schicht 4· Die Spektralverteilung der Intensität oder Stärke des emittierten Lichtes ist in Figur 3 gezeigt, und die Lichtemissions stärke P is^t dem Stromfluß I im Bauelement proportional, wie in Figur 4 gezeigt. Die dargestellten Werte für das erfindungsgemäße Bauelement sind lediglich beispielhaft und nicht im einschränkenden Sinne aufzufassen.

Figur 5 zeigt die Grundschaltung der erfindungsgemäßen Anordnung, bei welcher eine Integrierschaltung, bestehend aus einem Widerstand 11 und einem Kondensator 12, an eine Energiequelle, die eine Spannung E liefert, angeschlossen sowie ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement 13 mit negativer Widerstandscharakteristik über den Kondensator 12 geschaltet ist. Wenn der ohmsche Wert des Arbeitswiderstands 11 und die Speisespannung E der Energiequelle 10 so bemessen sind, daß der Vprspannpunkt des Halbleiterbauelements 13 geeignet eingestellt wird und die Widerstands gerade 14 die Strom/Spannungscharakteristik des Bauelements 13 lediglich im negativen Widerstandsbereich 8 schneidet, wie in Figur 2 gezeigt. erzeugt die Schaltung Kipp- oder Sägezahnschwingungen in nachstehend zu beschreibender Weise,

Als erstes wird der Kondensator 12 mit der Speisespannung E aufgeladen und steigt seine Klemmenspannung allmählich an, bis sie die Schwellenspannung V.. des Halbleiterbauelements 13 erreicht. Während dieser Zeit ist der Stromfluß im Bauelement 13 sehr gering und emittiert das Bauelement 13 kaum Licht. Wenn die Klemmenspannung des Kondensators 12 den Wert der Schwellenspannung V, erreicht, wird der Arbeitspunkt des lichtemittierenden Halbleiterbauelements 13 plötzlich vom Sperrbereich 7 auf den aktiven Bereich 9 geschaltet, so daß ein kräftiger Strom durch das Bauelement 13 fließt und sich eine starke, dem Stromfluß proportionale

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Lichtemission ergibt, und die im Kondensator 12 gespeicherte Ladung wird innerhalb kurzer Zeit über das Baμelement 13 entladen. Wenn die Entladung vorüber ist, fällt die Klemmenspannung des Bauelements 13 unter den Wert der Haltespannung V, ab, und der Arbeit spunkt des Bauelements 13 schaltet vom aktiven Bereich 9 in den Sperrbereich 7 mit hohem Widerstand. Anschließend beginnt wiederum die Aufladung des Kondensators 12 durch die Energiequelle 10, und der oben beschriebene Vorgang wiederholt sich. Figur 6 zeigt den Verlauf der Klemmenspannung des Kondensators 12 für diese Schaltung.

Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der.erfindungsgemäßen Anordnung, bei welchem die Energiequelle 10a eine Wechselspannung von der in Figur 8 gezeigten Form an eine integrierende Schaltung mit dem Widerstand 11 und dem Kondensator 12 (Figur 7) liefert. Zwei lichtemittierende Halbleiterbauelemente 13a und 13b mit der in Figur 2 gezeigten Charakteristik sind antiparallel zwischen die beiden Klemmen des Kondensators 12 geschaltet und arbeiten pro Halbwelle der speisenden Wechselspannung abwechselnd im positiven und im negativen Bereich der Wechselspannung. Die Arbeitsweise der Bauelemente 13a und 13b wird am besten aus dem Schaltschema nach Figur 5 ersichtlich. Wie erwähnt, arbeiten in Figur 7 die Halbleiterbauelemente sowohl im positiven als auch im negativen Bereich der Wechselspannung, wobei jedoch bei- Arbeiten in nur einem dieser Bereiche eines der beiden Halbleiterbauelemente 13a und 13b entfernt werden kann.

Die erwähnten Schwingvorgänge treten nur dann auf, wenn die Schaltung so konstruiert ist, daß die Widerstandsgerade 14 die Strom/Spannungscharakteristik des lichtemittierenden Halbleiterbauelements 13 nur im negativen Widerstandsbereich 8 schneidet, wie in Figur 2 gezeigt. Schneidet die Widerstandsgerade in einem anderen Bereich, so wird der Schnittpunkt in diesem Bereich ein stabiler Arbeit spunkt, so daß folgfich die Anordnung nicht schwingt. Der Arbeitswiderstand 11 muß daher in seinem Wert R. größer bemessen werden als der Absolutwert R„ des negativen Widerstands des

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Bauelements 13, und der Wert E/R. muß so bemessen werden, daß er größer ist als der Schwellenstrom I,, , jedoch kleiner als der Haltestrom I, « Die Schaltung ist daher hinsichtlich ihrer Bemessung erheblichen Einschränkungen unterworfen.

Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Widerstandsgerade 15 des lichtemittierenden Halbleiter-

bauelemente 13 die Strom/Spannungskurve im aktiven Bereich 9 nach Figur 2 schneidet, um die Anordnung schwingfähig zu machen. Gleiche Elemente in Figur 5 und 9 sind jeweils mit gleichen Be- ■ zugszeichen bezeichnet. \

In Figur 9 ist ein Lichtempfangselement 16 über den Konden- (J sator 12 geschaltet. Das Lichtempfangselement 16 ist so angeordnet, daß es vom lichtemittierenden Halbleiterbauelement 13 emittiertes Licht empfängt, wobei es, wenn das Bauelement 13 Licht emittiert, den leitenden Zustand, und wenn das Bauelement 13 kein Licht emittiert, den gesperrten oder nichtleitenden Zustand annimmt. Als Lichtempfangselement 16 kann eine Photodiode, beispielsweise von der Art einer Sonnenbatterie, aber auch beispielsweise ein Photoleiterelement wie CdS oder ein Phototransistor oder ein sonstiges lichtempfindliches Element, das unter dem Einfluß des Lichtes ein-aus-gesteuert wird, verwendet werden.

Die Arbeitsweise der Anordnung nach Figur 9 ist wie folgt.

Der Kondensator 12 wird von der Energiequelle 10 über den Arbeitswiderstand 11 mit der Zeitkonstante von R_TC (wobei R. der ohmsche Wert des Arbeitswiderstands 11 und C die Kapazität des Kondensators 12 sind) aufgeladen, wobei seine Klemmenspannung allmählich ansteigt. Wenn die Klemmenspannung des Kondensators 12 die Schwellenspannung V,. des liehtemittierenden Halbleiterbauelements 13 erreicht, wird dieses in den aktiven Bereich 9 geschaltet, wobei es im stabilen Arbeitspunkt 18 kräftig Licht emittiert. Das Lichtempfangselement 16 nimmt dieses Licht wahr, wobei sein Innenwiderstand stark abfällt und es den leitenden Zustand annimmt. Sodann fällt die Klemmenspannung des Halbleiterbauelements 13 ab, und bei Absinken unter die Haltespannung V, wird der Arbeitspunkt

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des Bauelements 13 auf den Sperrbereich 7 geschaltet, so daß die Lichtemission aufhört. Im Sperrbereich ist der Innenwiderstand des Bauelements 13 sehr groß, und der Innenwiderstand des Lichtempfangselements 16 wird, da es kein Licht mehr empfängt, ebenfalls sehr groß. Die Aufladung des Kondensators 12 durch die Energiequelle 10 setzt erneut ein, und der beschriebene Vorgang wiederholt sich. Der Verlauf der Klemmenspannung des lichtemittierenden Bauelements 13 bei dieser Ausführungsform ist in Figur 6 gezeigt.

Da die Anordnung nach Figur 9 so eingerichtet ist, daß die Lichtemissionscharakteristik im leitenden Zustand des lichtemittierenden Halbleiterbauelements 13 ausgenützt wird, um den Ar-™ beitspunkt de^s Bauelements 13 auf den Sperrbereich 7 zu schalten, ist es nicht erforderlich, den Arbeitswiderstand 11 und die Speisespannung E der Energiequelle so zu bemessen, daß die Widerstandsgerade die Strom/Spannungskurve nur im negativen Widerstandsbereich 8 schneidet, wie es bei den Ausführungsformen nach Figur 5 und 7 der Fall ist, so daß man hinsichtlich der Bemessung des Arbeitswiderstands 11 ziemlich viel Freiheit hat, die Schaltung sich leichter konstruieren läßt, der Schwingfrequenzbereich größer ist und die Anordnung stabil arbeitet.

Figur 10.zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem synchron mit der Wechselstromsignalfrequenz ein Trigger- oder Steuerlicht ^ erzeugt wird. Die Anordnung nach Figur 10 enthält eine Gleichrich-™ torschaltung 20 bekannter Art zur Vollweggleichrichtung des Wechselstromsignals 21, eine über die Gleichrichterschaltung 20 geschaltete Integrierschaltung, bestehend aus der Reihenschaltung eines Widerstands 22, eines Regelwiderstands 23 und eines Kondensators 24, ein über, den Kondensator 24 geschaltetes lichtemittierendes Halbleiterbauelement 13 mit einer Strom/Spannungscharakteristik von der in Figur 2 gezeigten Art, und eine zwischen einerseits den Verbindungspunkt des Widerstands 22 und des Regelwiderstands 23 und andererseits den negativen Punkt der Gleichrichterschaltung 20 geschaltete Zenerdiode 2 5 mit einer Zenerspannung E„, die höher ist als die Schwellenspannung V, , des lichtemittierenden

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Bauelements 13. An Stelle der Zenerdiode 2 5 kann gewünschtenf aus auch eine Konstantspannungs-Entladeröhre oder dergl. verwendet werden. Der'Regelwiderstand 23 ist entsprechend bemessen, und die Widerstandsgerade 14 des lichtemittierenden Bauelements 13 ist so eingestellt, daß sie die Strom/Spannungskurve des Bauelements 13 im negativen Widerstandsbereich 8 schneidet.

Das Wechselstromsignal 21 wird in der Gleichrichterschaltung 20 vollweggleichgerichtetj ein pulsierender Strom 26 von der in Figur 11a gezeigten Form wird dem Widerstand 22 zugeleitetj dieser pulsierende Strom 2 6 wird durch die Zenerdiode 25 bei der Zenerspannung E„ abgekapptj und ein resultierendes Signal 27 von der ebenfalls in Figur 11a gezeigten Form, gelangt daraufhin zur Integrierschaltung mit dem Regelwiderstand 23 und dem Kondensator 24· Als Folge davon steige die Klemmenspannung des Kondensators entsprechend dem ohmschen Wert des Widerstands 22 und der Zeitkonstante des Kondensators 24 allmählich an. Wenn sie die Schwellenspannung V,, des lichtemittierenden Bauelements 13 erreicht, wird dessen Arbeitspunkt auf den aktiven Bereich 9 geschaltet, so daß ein kräftiger Stromfluß im Bauelement 13 erfolgt und die Lichtemission einsetzt. Da die Widerstandsgerade 14 des Bauelements 13 dessen Strom/Spannungskurve im negativen Widerstandsbereich 8 schneidet, ist kein stabiler Arbeitspunkt im aktiven Bereich 9 vorhanden. Es fällt daher im Zuge der Entladung des Kondensators 24 die Klemmenspannung des Bauelements 13 injkurzer Zeit unter die Haltespannung V, ab, so daß der Arbeitspunkt des Bauelements 13 auf den Sperrbereich 7 geschaltet wird und dadurch die Lichtemission aufhört, woraufhin der Kondensator 24 durch das Signal 27 erneut aufgeladen wird. Der gleiche Vorgang wiederholt sich, so daß die Anordnung schwingt.

Wenn der pulsierende Strom 26 aufgrund des Wechselstromsignals 21 unter die Zenerspannung E„ abfällt, fällt auch das der Integrierschaltung mit dem Kondensator 24 und dem Widerstand 23 angelieferte Signal 27 ab, und der Schwingvorgang in einer Halbwelle des Wechselstromsignals 21 hört auf. Der beschriebene Schwingvorgang wiederholt sich jeweils pro Halbwelle des Wechsel-

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stromsignals 21, wobei die Klemmenspannungen des Kondensators 24 und des lichtemittierenden Bauelements 13 ,die in Figur 11b wiedergegebene Form haben und jedesmal, wenn die Klemmenspannung die Schwellenspannung V. erreicht, das lichtemittierende Bauelement 13 kräftig lichtemittiert. Die Periode der Lichtemission pro Halbwelle des Wechselstromsignals 21 kann durch entsprechende Wahl der Zenerspannung E_, des Widerstandswertes des RegelWiderstands 23

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und der Kapazität des Kondensators 24 beliebig verändert werden.

Die in Figur 12a und 12b gezeigten Ausführungsformen arbeiten mit der Schwinganordnung nach Figur iö, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß in jeder Halbwelle des Wechselstromsignals 21 eia Trigger- oder Steuerlicht erzeugt wird, und wobei der Figur 10 entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie dort bezeichnet sind. Die Schaltung nach Figur 12a ist auf der Grundlage der Schaltung nach Figur 10 so eingerichtet, daß ein Widerstand in Reihe mit dem lichtemittierenden Halbleiterbauelement 13 liegt, eine Jategrierschaltung, bestehend aus der Reihenschaltung eines Widerstands 29 und eines Kondensators 3O₃ ühsr den ?/i der stand 28 geschaltet ist und der Yerbindungspunkt des Kondensators 30 und des Widerstands 29 an die Steuerelektrode oder das Gitter eines parallel zum Kondensator 24 geschalteten steuerbaren Siliciumgleichrichter s (SCR) angeschlossen ist. Die Schaltung nach Figur 12b stellt eine Abwandlung der Schaltung nach Figur 12a dar. Und zwar ist in diesem Fall ein Transformator 32 an Stelle des Widerstands 28 zum Wahrnehmen des Stromflusses durch das lichtemittierende Halbleiterbauelement 13 vorgesehen.

Die Arbeitsweise der Schaltungen nach Figur 12a und 12b ist insofern die gleiche wie die der Schaltung nach Figur 10, als bei Anliegen des Signals 27 am Kondensator 24 die Klemmenspannung des lichtemittierenden Bauelements 13 allmählich ansteigt, wie in Figur 13b gezeigt, bis sie schließlich die Schwellenspannung V₄. er-

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reicht, woraufhin Licht emittiert wird. Wenn das Bauelement 13 Licht emittiert, wird in der Sekundärwicklung des Transformators 32 eine Spannung erzeugt, die dann über den Widerstand 29 in den Kondensator 30 gespeichert wird und den steuerbaren Siliciumgleich-

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richter 31 bis zum Ende einer Periode das pulsierenden Sti'oraes 26 im leitenden Zustand hält. Sobald, wenn das Halbleiterbauelement 13 Licht emittiert, die Aufladung des Kondensators 24 innerhalb der gleichen Periode das pulsierenden Stromes 26 blockiert wird, wird das Bauelement 13 im Sperrbereich 7 gehalten, so daß kein Licht emittiert wird. Wenn das Potential des pulsierenden Stromes 26 aufgrund des Wechselstromsignals 21 auf im wesentlichen null abfällt, nimmt der steuerbare Siliciumgleichrichter 31 wieder den offenen Zustand an, und der beschriebene Vorgang wiederholt sich in der nächsten Periode des pulsierenden Stromes 26. Aus Figur 13c ist zu ersehen, daß das lichtemittierende Halbleiterbauelement; 13 jeweils einmal in jeder Periode des pulsierenden Stromes 26 Licht emittiert. |

Die Anordnungen »ach Figur 10, 12a und i2b sind so eingerichtet, daß sich der gleiche Vorgang in jeder Halbwelle des Wechselstromsignals 21 wiederholt. Bildet man dagegen die Gleichrichterschaltung 20 als Einweggleichrichter aus, so wird der gleiche Vorgang jeweils in jeder Periode des Wechselstromsignals 21 wiederholt.

Figur 14 zeigt eine Schaltung, in welcher der Vorspannpunkt des lichtemittierend·!! Halbleiterbauelements 13 wahlweise zwischen dem negativen Widerstandsbereich 8 und dem aktiven Bereich 9 zum Zeitpunkt der Abschirmung und Nichtabschirmung des Lichts vom Bauelement 13 schaltbar ist, um das Abgeschirmtsein des Lichtes wahr- j zunehmen. Die Schaltung nach Figur 14 enthält eine Energiequelle 10, die eine Gleichspannung E liefert. Die Reihenschaltung eines Widerstands 33, eines Kondensators 34 und einer Tcm/iedergabeeinrichtung 35 sowie die Reihenschaltung eines Widerstands 36, eines Transistors 37 und eines lichtemittierenden Halbleiterbauelements 13 mit einer Strom/Spannungscharakteristikmch Art der Figur 2 sind an die Energiequelle 10 angekoppelt. Der Verbindungspunkt des Widerstands 33 und des Kondensators 34 ist mit dem Verbindungspunkt des Transistors 37 und des Halbleiterbauelements 13 verbunden. Ein Phototraneistor 38 ist zwischen die Basis und den Kollektor des

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Transistors 37 geschaltet und so angeordnet, daß er einen Teil des Ausgangslichtes des lichtemittierenden Bauelements 13 empfängt. Ein wahrzunehmender Körper 39 wird durch den koppelnden optischen Strahlengang zwischen dem lichtemittierenden Bauelement 13 und dem Phototransistor 38 bewegt. Bei Auftreffen von Licht auf den Phototransistor 38 wird der Transistor 37 leitend, so daß die Widerstände 33 und 36 parallelliegen, während, wenn der Phototransistor 38 kein Licht empfängt, der Transistor 37 gesperrt und dadurch der Widerstand 36 abgeschaltet wird, ßer Wert R^« des Widerstands 33 ist so bemessen, daß, wenn kein Licht auf den Phototransistor 38 auftrifft und der Transistor 37 gesperrt ist, die Widerstandsgerade 14 die Strom/Spannungskurve des Bauelements 13 im negativen Widerstandsbereich 8 schneidet, wie in Figur 15 gezeigt, während der Wert R„^ des Widerstands 36 so bemessen ist, daß, wenn der Transistor 37 sich im leitenden Zustand befindet, die durch die Parallelschaltung der Widerstände 33 und 36 gebildete Widerstandsger-ade 15 die Strom/Spannungskurve im aktiven Bereich 9 schneidet₀

daher die Energiequelle 10 ihre Gleichspannung E ist zunächst der Widerstand 36 wegen der Sperrung des Transistors 37 abgeschaltet, so daß der Kondensator- 34 über den Widerstand 33 aufgeladen wird und dadurch die Klemmenspannung des lichteiaittie=- renden Halbleiterbauelements 13 allmählich ansteigt. Wenn diese Klemmenspannung die Schwellenspannung V,. erreicht, wird die im Kondensator 34 gespeicherte Ladung über das lichtemittierende Bauelement 13 entladen, das daraufhin Licht zu emittieren beginnt. Daraufhin wird der Phototransistor 38 erregt, so daß der Transistor 37 leitend wird und dadurch die Widerstände 33 und 36 parallelgeschaltet werden, so daß der Arbeitspunkt 40 des lichtemittierenden Bauelements 13 auf den stabilen aktiven Bereich eingestellt wird und das Bauelement 13 eine kontinuierliche Lichtemission liefert· Der Stromfluß im Bauelement 13 behält einen konstanten Wert, und da keine Schwingung erfolgt, liefert die Tonwiedergabeeinrichtung 35 kein Ausgangssignal.

das vom lichtemittierenden Bauelement 13 auf den Phototransistor 38 gerichtete Licht 17 durch den Körper 39 abgeschirmt

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oder abgedunkelt wird, wird der Transistor 37 gesperrt. Als Folge davon wird der Arbeitswiderstand des Bauelements 13 nur mehr durch den Widerstand 33 gebildet, so daß die Widerstandsgerade die Strom/Spannungskurve des Bauelements 13 im negativen Widerstandsbereich schneidet. Daraufhin schvfingt die Anordnung in der gleichen Weise wie die Anordnung nach Figur 5· In diesem Fall liefert das Bauelement 13 eine intermittierende Lichtemission, so daß ein Impulsstrom durch die Tonwiedergabeeinrichtung 35 fließt und diese eine Tonschwingung konstanter Frequenz erzeugt. Wenn die Abschirmung oder Afadunkelung des Lichtes in bezug auf den Phototransistor 38 aufhört, wird der Transistor 37 leitend und der Widerstand 36 wieder eingeschaltet, so daß der Arbeitspunkt 40 des lichtemittierenden Bauelements 13 auf den aktiven Bereich 9 schaltet und sich eine kontinuierliche Lichtemission ergibt, so daß die Anordnung aufhört zu schwingen.

Es kann also mit Hilfe dieser Schaltung die Anwesenheit des Körpers 39 erkannt werden, indem wahrgenommen wird, ob das vom Bauelement 13 emittierte Licht kontinuierlich oder laipulslicht ist, oder indem die Anwesenheit einer von der Tonwiedergabeeinrichtung 35 erzeugten Tonschwingung wahrgenommen wird.

Statt durch das Licht 17 von lichtemittierenden Bauelement kann der Phototransistor auch durch Licht von einer anderen Quelle oder durch Umgebungslicht erregt werden. Die Tonwiedergabeeinrichtung 35 braucht nur in solchen Fällen vorgesehen zu sein, wo sie benötigt wird, und sie kann in Reihe mit dem lichtemittierenden Bauelement 13 geschaltet sein. Die aus dem Phototransistor 38 und dem Transistor 37 bestehende Schalteranordnung kann natürlich auch mit anderweitigen photoempfindlichen Bauelementen aufgebaut sein.

Figur 16 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine monostabile Multivibratoi'schaltung, welche bei Empfang eines Trigger- oder Steuereingangssignals ein/Ausgangslichtimpuls mit einer durch die Zeitkonstante der Anordnung gegebenen Dauer erzeugt. Die Schaltung enthält eine Energiequelle 10, die eine Gleichspannung E liefert. Die Reihenschaltung eines Widerstands

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und eines Kondensators 42 ist an die Energiequelle 10 angeschaltet. Ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement 13 sowie die Reihenschaltung eines Kondensators 43 und einer Signalerzeugeranordnung 44 znva. Erzeugen eines elektrischen Steuerimpulssignals sind parallel zum Kondensator 42 geschaltet. Der Wert R^₁ des Widerstands 41 uad die Gleichspannung E der Energiequelle 10 sind so bemessen, daß die Widerstandsgerade 15 oder 45 des lichtemittie^enden Bauelements 13 dessen Strom/Spannungskurve im aktiven Bereich 9 bzw. im Sperrbereich 7 schneidet, wie aus Figur 17 ersichtlich. Wenn die Bemessung so getroffen ist, daß die Widerstandsgerade 15 die Kennlinie im aktiven Bereich 9 schneidet, arbeitet das Bauelement 13 bei Zufuhr der Gleichspannung E von der Energiequelle 10 mit dem stabilen Arbeitspunkt 46 im aktiven Bereich 9> so daß das Bauelement 13 von einem Strom I₁ entsprechend dem Arbeitspuxikt 46 durchflossen wird und eine kontinuierliche oder Dauerlichtemission erfolgt. Wenn dann zum Zeitpunkt t₁ von der Signalerzeugeranordnung 44 ein negatives Steuersignal (dargestellt in Figur 18a) geliefert wird, fällt die Klemmenspannung des Bauelements 13 unter die Haltespannung V. ab und wird der Arbeitspunkt des Bauelements 13 auf den Sperrbereich 7 geschaltet, so daß praktisch kein Strom mehr durch das Bauelement 13 fließt und die Lichtemission aufhört. Wenn danach der Kondensator 42 durch die Gleichspannung E mit der Zeitkonstante R.-.C.» (wobei

41 4z

R.j der Wert des Widerstands 41 und C-₂ die Kapazität des Kondensators 42 sind) aufgeladen wird, steigt die Klemmenspannung des Bauelements 13 allmählich an, bis sie zum Zeitpunkt T- die Schwellenspannung V . erreicht. Es schaltet daher zum Zeitpunkt t_ der Arbeitspunkt des Bauelements 13 *uf den aktiven Bereich 9> womit das Bauelement 13 wieder seinen ursprünglichen Zustand annimmt. In Figur. 18a, 18b und 18c sind dieentsprechenden Signalformen gezeigt, wobei Figur l8a das von der Signalerzeugeranordnung 44 gelieferte negative SteuerSpannungssignal, Figur 18b die Klemmenspannung des lichtemittieremden Bauelements 13 und Figur 18c den Stromverlauf im Bauelement 13 wiedergeben.

Ist dagegen die oben erwähnte Bemessung so getroffen, daß die Widerstandsgerade 45 die Strom/Spannungskennlinie des B»u-

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elements 13 im Sperrbereich 7 schneidet, so wird die Schaltung so eingerichtet, daß die Signalerzeugeranordnung 44 ©in positives SteuerSpannungssignal liefert. Das Bauelement 13* das anfangs bei stabilem Arbeitspunkt 47 im Sperrbereich 7 praktisch kein Licht emittiert, wird dann durch den zum Zeitpunkt t. zugeführten positiven Steuerspannungsimpuls mit seinem Arbeitspunkt auf den aktiven Bereich 9 geschaltet. Danach wird nach einem vorbestimmten Zeitintervall der Arbeitspunkt auf den Sperrbereich 7 zurückgeschaltet, so daß ein Strom von der in Figur l8d gezeigten Form dem Bauelement 13 geliefert wird.

Bei der Schaltung nach Figur.16 wird also jedesmal bei Auftreten eines Steuersignals ein Ausgangslichtsignal mit einer vor- | bestimmten Verzögerungsdauer entsprechend der Zeitkonstante erzeugt.

Die Schaltung nach Figur 19 stellt eine Abwandlung der Schaltung nach Figur 16 dar. An Stelle der Signalerzeugeranordnung 44 ist ein Lichtempfangselement 49 vorgesehen, das durch Eingangslicht 48 erregt wird und daraufhin ein elektrisches Trigger- oder Steuersignal erzeugt. Der Widerstand 50 ist ein Vorspannwiderstand. Die Arbeitsweise dieser Schaltung ergibt sich ohne weiteres aus der vorstehenden Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach Figur 16.

Figur 20 zeigt eine Anordnung, bei welcher der Vorspannpunkt j des lichteaittierenden Bauelements 13 durch den Pegel oder das Niveau einer Flüssigkeitsoberfläche verändert und ein Alarmsignal erzeugt wird, wenn* der Flüssigkeitspegel unter einen vorbestimmten Wert abfällt. Eine Energiequelle 10 liefert eine Gleichspannung E. Die Reihenschaltung eines Widerstands 51 » einer Tonwiedergabeeinrichtung 52 und eines Kondensators 53 ist zwischen die beiden Pole der Energiequelle 10 geschaltet. Die Reihenschaltung des lichtemittierenden Bauelements 13 und eines strombegrenzenden Widerstands 54 ist Über den Kondensator 53 geschaltet. Ein leitender Behälter 56, der die zu Überwachende Flüssigkeit 55 aufnimmt, ist an die eine Belegung de« Kondensators 53 angeschlossen. Auf der

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Oberfläche der Flüssigkeit 55 ist ein Detektor 57 angeordnet, der mit der anderen Belegung des Kondensators 53 verbunden ist. Wenn sich die Flüssigkeit 55 in Kontakt mit dem Detektor 57 befindet, besteht zwischen dem Detektor 57 und dem Behälter 56 ein Widerstand. Der Widerstand 51 ist so bemessen, daß aufgrund des erstgenannten Widerstands (der Flüssigkeit) am lichtemittierenden Bauelement 13 eine Spannung unterhalb der Schwellenspannung V , liegt. Ferner ist die Widerstandsgerade 45 des Bauelements 13 so eingestellt, daß sie die Strom/Spannungskennlinie des Bauelements 13 im Sperrbereich 7 schneidet, wie in Figur 21 gezeigt. Wenn dagegen der Detektor 57 nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit 55 ist, schneidet die durch den Widerstand 51 und die Tonwiedergabeeinrich tung 52 gegebene Widerstandsgerade I5 die Strom/Spannungskurve im negativen Widerstandsbereich 8, wie in Figur 21 gezeigt.

Solange also der Detektor 57 in Kontakt mit der Flüssigkeit 55 ist, arbeitet das lichtemittierende Bauelement 13 im stabilen Arbeitspunkt 58 innerhalb des Sperrbereichs 7> so daß ein vorbestimmter konstanter Strom durch das Bauelement 13 fließt und dieses praktisch kein Licht emittiert. Wenn die Oberfläche der Flüssigkeit 55 durch Absinken unterhalb eines vorbestimmten Pegels außer Kontakt mit dem Detektor 57 gerät, wird ein Schwingkreis gc·- bildet, da die Widerstandsgerade 15 des lichtemittierenden Bauelements 13 die Strom/Spannungskennlinie im negativen Widerstandsbereich 8 schneidet, so daß das Bauelement 13 intermittierend Licht emittiert, während zugleich die Tonwiedergabeeinrichtung 52 von einem impulsförmigen Strom durchflossen wird und daraufhin eine Tonschwingung konstanter Frequenz erzeugt·

Wenn also Impulslicht vom Bauelement 13 auftritt oder die Tonwiedergabeeinrichtung 52 die Tonschwingung erzeugt, zeigt dies an, daß die Flüssigkeitsoberfläche unter den vorbestimmten Pegel abgesunken ist. Die Tonwiedergabeeinrichtung 52 kann übrigens in manchen Fällen entbehrlich sein.

Während bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Lichtausstoß des lichtemittierenden Kalbleiterbauelements 13 als Ausgangssignal verwendet wird, können «Ή« Schaltungen

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natürlich auch so eingerichtet sein, daß gleichzeitig elektrische Ausgangssignale aus der Klemmenspannung des lichtemittierenden Bauelements 13, der Klemmenspannung des Kondensators der Integrierschaltung oder der Klemmenspannung des Arbeitswiderstands gewonnen werden. Während ferner das lichtemittierende Halbleiterbauelement 13 Infrarotlicht emittiert, wie in Figur 3 gezeigt, kann gewünschtenfalls durch Umwandlung des Infrarotlichtes in sichtbares Licht mit" Hilfe bekannter Einrichtungen auch das Ausgangslicht des Bauelements 13 direkt erfaßt und wahrgenommen werden.

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Claims

Patentansprüche

Ii Schwinganordnung, gekennzeichnet dur ch eine elektrische Signalspeicheranordnung in Form einer Integrierschaltung; eine Anordnung, welche die Signalspeicheranordnung mit einem elektrischen Signal beliefert; und ein sait der Signalspeiche£ anordnung gekoppeltes lichtemittierendes Halbleiterbauelement mit negativer Widerstandscharakteristik, welches Licht mit einer einem zugeführten Strom entsprechenden Stärke emittiert.
2. Schwinganordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtemittierende Halbleiterbauelement auf einen Arbeitspunkt in einem aktiven Bereich eingestellt istJ und daß mit der Signalspeicheranordnung oder dem lichtemittierenden Halbleiterbauelement eine Schalteranordnung parallelgeschaltet ist, die durch das Licht vom lichtemittierenden Halbleiterbauelement leitend gemacht wird.
3. Schwinganordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das der Speicheranordnung zugeführ te elektrische Signal sich in seinem Spannungswert in bezug auf Nullpotential ändertj und daß das lichtemittierende Halbleiterbauelement auf einen Arbeitspunkt in seinem negativen Widerstandsbereich eingestellt ist.
4. Schwinganordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal von einer Gleichrichteranordnung geliefert wird; und daß in der Vorstufe zur Signalspeicheranordnung eine Konstantspannungsanordnung vorgesehen ist.
5« Schwinganordnung nach Anspruch 4> gekennzeic hnet durch eine Stromfühleranordnung zum Wahrnehmen des dem lichtemittierten Halbleiterbauelement zugeführten Stromes; eine zweite Speicheranordnung zum Speichern einer diesem Strom

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entsprechenden elektrischen Großes und eine Schalteranordnung zum selektiven steuerbaren Kurzschließen der ersten Speicheranordnung bei Empfang der in der zweiten Speicheranordnung gespeicherten elektrischen Größe und des von der Gleichrichteranordnung gelieferten elektrischen Signals.
6. Schwinganordnung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die Integrierschaltung durch zwei parallelgeschaltete Impedanzelemente gebildet wirdjund daß durch eine Schalteranordnung das zweite Impedanzelement mit Ausgangslicht vom lichtemittierenden Halbleiterbauelement erregt und dadurch selektiv abgeschaltet wird und das lichtemittierende Halbleiterbauelement selektiv auf einen Arbeitspunkt im negativen Widerstandsbereich oder im aktiven Bereich eingestellt wird.
7. Schwinganordnung nach Anspruch 6, gekennzeich net durch eine elektrische Tonwiedergabeeinrichtung, die bei Empfang eines Stromes während des Schwingvorganges erregbar ist.
8. Schwinganordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtemittierende Halbleiterbauelement auf einen Arbeitspunkt im aktiven Bereich oder im Sperr bereich seiner Strom/Spannungskennlinie einstellbar ist; und daß eine Steuersignalanordnung das lichtemittierende Halbleiterbauelement mit einem negativen oder einem positiven elektrischen Steuersignal beliefert.
9. Schwinganordnung nach Anspruch 1, gekennzei chnet durch eine in vorbestimmter Lage zur Oberfläche einer Flüssigkeit angeordnete Elektrode; und durch eine Anordnung, welche das lichtemittierende Halbleiterbauelement über die Elektrode und die Flüssigkeit kurzschließt, wenn die Flüssigkeitsoberfläche einen vorbestimmten Pegel erreicht, derart, daß der Arbeitspunkt des lichtemittierenden Halbleiterbauelements dadurch von Sperrbereich in den negativen Widerstandsbereich seiner Strom/ Spannungskennlinie geschaltet wird.

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