DE2248419A1 - Festkoerper-elektronenroehrenersatz - Google Patents

Festkoerper-elektronenroehrenersatz

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DE2248419A1 DE19722248419 DE2248419A DE2248419A1 DE 2248419 A1 DE2248419 A1 DE 2248419A1 DE 19722248419 DE19722248419 DE 19722248419 DE 2248419 A DE2248419 A DE 2248419A DE 2248419 A1 DE2248419 A1 DE 2248419A1
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Description

Teledyne , Inc. Los Angeles, Kalif. (V. StI v. A.)
Festkörper - Elektronenröhrenersatz.
Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S. Anmeldung Ser. No. 187 006 vom 6. Oktober 1971 beansprucht.
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Festkörperoder Halbleiter-Bauelemente und insbesondere auf einen Festkörper-Bausatz, der als Ersatz für Elektronenröhren in Elektronenröhrenschaltungen verwendet werden kann«
Die Umwandlung von Elektronenröhrenschaltungen in Festkörperschaltungen macht normalerweise den Austausch der ganzen Schaltung durch Halbleiter-Festkörperbauelemente und entsprechende Schaltungsteile erforderlich.
Pentoden- und Trioden-Elektronenröhren sind in elektronischen Geräten weit verbreitet, und es dürften heutzutage Hunderte von Millionen Röhren dieser Art in entsprechend ausgelegten Geräten im Einsatz sein. Elektronenröhren weisen jedoch im Vergleich zu Transistoren oder Festkörper-Bauelementen erhebliche Nachteile auf, z.B. die Leistungsaufnahme für die Emissionsquelle, eine verhältnismäßig kurze Betriebszeit, und beeinflussen aufgrund der in ihnen erzeugten Wärme die anderen Schaltungselemente in ungünstiger Weise. Durch
309815/08/,
Transistorenbestückung von Geräten konnten einige dieser
Probleme ausgeräumt werden. Die allgemeine Einführung von Festkörper-Geräten ist jedoch sehr kostspielig, da die elektrischen Schaltungen der Geräte ersetzt werden müssen.
Wenn Elektronenröhren schaltungsmäßig durch Halbleiterbauelemente ersetzt werden sollen, müssen die letzteren im wesentlichen die gleichen Gleichstrom- und Wechselstromkenndaten wie die Röhren aufweisen, welche sie in der Schaltung ersetzen. So müssen sich Phasenverschiebung, Verstärkung, Frequenzgang und andere Eigenschaften einander gleichen, damit sich ein vollwertiger Ersatz ergibt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
einen Festkörper-Elektronenröhrenersatz zu schaffen, der
einen hohen Gegenwirkleitwert g , hohe Durchbruchsspannungswerte, niedrige Rückkopplungsimpedanz und hohe Ausgangsimpedanz aufweist j keine Anheizzeit benötigt und sich durch
Klirrfreiheit, transistormäßige Betriebssicherheit, niedrigen Rauschpegel, geringe Verzerrung und hohe Stabilität auszeichnet.
Der zu diesem Zweck vorgeschlagene Festkörper-Elektronenröhrenersatz ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Grundplatte mit mehreren in eine zur Aufnahme des Elektronenröhrenersatzes bestimmte Röhrenfassung einsteckbaren Sockelstiften, einen ersten Niederspannungs-Feldeffekttransistor hohen Verstärkungsgrades mit Quellen-, Senken- und Torelektrode, einen zweiten Hochspannungs-Feldeffekttransistor mittleren Verstärkungsgrades mit Quellen-, Senken- und Tor-
30981 5 / Q 8 Λ 5
elektrode, wobei die Quellenelektrode des ersten Feldeffekttransistors mit dem Kathoden-Sockelstift in der Grundplatte und der Torelektrode des zweiten Feldeffekttransistors, die Torelektrode des ersten Feldeffekttransistors mit dem Gitter-Sockelstift in der Grundplatte, die Senkenelektrode des ersten Feldeffekttransistors mit der Quellenelektrode des zweiten Feldeffekttransistors, und die Senkenelektrode des zweiten Feldeffekttransistors mit dem Anoden-Sockelstift in der Grundplatte verbunden ist.
Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Festkörper-Elektronenröhrenersatzes bilden den Gegenstand der Ansprüche 2-5.
Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig, 1 ist eine schaubildliche Ansicht eines Festkörper-Elektronenröhrenersatzes j wobei ein Teil des Bauelements weggebrochen ist5 um die Halbleiterelemente sichtbar zu machen. Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die in Fig» I dargestellte Halbleiterbaugruppe.
Fig. 3 ist ein Aufrißquerschnitt durch das Sicherungselement der Halbleiterbaugruppe. Fig. «+ ist eine Draufsicht auf das Sicherungselement
der Fig. 3.
Fig. 5 ist ein schematischer Schaltplan der Verbindungen zwischen den Halbleiterelementen
309616/0845
und den Sockelstiften in der Grundplatte. Figuren 6 und 7 zeigen mittlere Anodenstrom-Kennlinien eines erfindungsgemäßen Elektronenröhrenersatzes .
Fig. 8 zeigt den Anodenstrom und den Gegenwirkleitwert als Funktion der Steuergitterspannung eines erfindungsgemäßen Elektronenröhrenersatzes.
Fig. 9 zeigt den Anodenstrom und den Gegenwirkleit-
wert als Funktion des Kathoden-Vorwiderstandes eines erfindungsgemäßen Elektronenröhrenersatzes.
Der in Fig. 1 dargestellte Elektronenröhrenersatz weist eine Grundplatte 11 mit mehreren Sockelstiften 12 auf» die in gegenseitigen Abständen in gleicher Weise wie bei einer herkömmlichen Elektronenröhre angeordnet und in eine herkömmliche Röhrenfassung einsteckbar sind. Die Stifte erstrecken sich jeweils durch eine Durchführung in der Grundplatte 11. Die Durchführung besteht aus einem keramischen oder Glasfenster 13, das jeweils eine hermetische Abdichtung zwischen der Grundplatte 11 und jedem Sockelstift 12 bildet.
Ein mit der Grundplatte 11 verbundenes Keramikplättchen IU trägt eine leitende Dünnschichtschaltung und die Halbleiterbauelemente, welche zusammen den eigentlichen Elektronenröhrenersatz darstellen.
Wie im einzelnen aus den Figuren 1, 2 und 5 ersichtlich, besteht die Festkörperschaltung aus einem ersten,
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Hochspannungs-Feldeffekttransistor 16 hohen Verstärkungsgrades, der auf einer Leiterfläche 17 befestigt ist, welche in Verbindung mit der Torelektrode 18 steht. Die Leiterfläche ist über einen Leiterstreifen 19 mit dem (im Falle einer Vakuumröhre zum Anschluß des Gitters dienenden) Gitter-Sockelstift 1 (Fig. 5) verbunden. Die Quellenelektrode ist mit dem Leiterstreifen 22 verbunden, welcher wiederum mit dem im Falle der Elektronenröhre als Kathoden-Sockelstift 2 bezeichneten Sockelstift verbunden ist. Der Leiterstreifen 22 ist zu einer Leiterfläche 23 geführt, auf der ein zweiter, Hochspannungs-Feldeffekttransistor 24 mittleren Verstärkungsgrades befestigt ist. Die Quellenelektrode 21 des Feldeffekttransistors 16 steht über den Leiterstreifen 2 2 und die Leiterfläche 2 3 in Verbindung mit der Torelektrode 2 6 des Transistors 24. Die Senkenelektrode 27 des Transistors 16 ist über den Leiterstreifen 2 3 mit der Quellenelektrode 28 des Transistors 24 verbunden. Die Senkenelektrode 31 des Transistors 24 ist über ein Sicherungselement 32 mit dem Leiterstreifen 33 und dem im Falle einer Elektronenröhre als Anoden-Sockelstift bezeichneten Sockelstift verbunden. Das Sicherungselement 32 dient zum Schutz der Halbleiterbauelemente und kann bei einigen Ausführungsformen in Fortfall kommen. Die Sockelstifte 2 und 7 können ggf» miteinander kurzgeschlossen und mit der Grundplatte 11 verbunden sein. Die Sockelstifte 3 und 4 können ohne Anschluß belassen oder über eine Widerstandsbrücke wie bei 36 angedeutet miteinander verbunden werden*, welche die gleichen
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Eigenschaften wie ein Röhrenheizelement aufweist, was dann erforderlich ist, wenn der Elektronenröhrenersatz für eine Elektronenröhrenschaltung mit in Reihe geschalteten Heizelementen verwendet werden soll.
Das Sicherungselement 32 kann aus Tantal bestehen und entsprechend Figuren 3 und 4 ausgebildet sein. Es besteht zu diesem Zweck aus einer Unterlage 41, auf die eine Siliziumdioxidschicht 42 aufgebracht ist. Auf die Siliziumdioxidschicht ist eine Tantal-Formschicht 43 aufgedampft und trägt in einem gegenseitigen Abstand Aluminium-Anschlußklemmen 44 und 45. Die Breite und Stärke des zwischen den Aluminium-Anschlußklemmen 44 und 45 befindlichen Streifens 46 werden entsprechend der Soll-Schmelstromstärke bemessen.
Bei der hier dargestellten Schaltungsanordnung werden der Verstärkungsgrad und die Eingangskapazität des Elektronenröhrenersatzes in erster Linie durch den Feldeffekttransistor 16 vorgegeben, während die Durchbruchsspannung der Halbleiterschaltung durch den zweiten Transistor 24 vorgegeben ist. Wenn der Elektronenröhrenersatz beispielsweise eine Pentode vom Typ 6AK5 ersetzen soll, werden die Transistoren 16 und 24 wie folgt ausgelegt:
Der Transistor 16 wird so bemessen, daß sein Sättigungsstrom bei 15 Volt zwischen 15 und 24 mA beträgt, die maximale Pinch-off-Spannung für eine zwischen Senken- und Quellenelektrode angelegte Spannung von 10 Volt und einen Strom von 10 μΑ zwischen Quellen- und Senkenelektrode unter 7 Volt liegt, und die Durchbruchsspannungen bei kurzge-
309815/Ό845 ■
schlossenen Tor- und Quellenelektroden und Tor- und Senkenelektroden über 2 5 Volt liegen.
Der Transistor 2 U wird so bemessen, daß sein Sättigungsstrom bei 20 Volt zwischen 20 und 50 mA beträgt, die Pinch-off-Spannung für eine zwischen Senken- und Quellenelektrode angelegte Spannung von 5 Volt und einen Strom von 100 uA zwischen Senken- und Quellenelektrode unter 20 Volt liegt, die Durchbruchsspannung zwischen Senken- und Torelektrode bei nicht angeschlossener Quellenelektrode und einem " Strom von 10 μΑ zwischen Senken- und Torelektrode über 27 5 Volt, und die Durchbruchsspannung zwischen Quellen- und Torelektrode bei nicht angeschlossener Senkenelektrode und einem Strom von 10 mA zwischen Quellen- und Torelektrode über 50 Volt beträgt.
Eine praktische Ausführungsform eines Elektronenröhrenersatzes mit den vorgenannten Eigenschaften wies die in den Figuren 6, 7, 8 und 9 dargestellten Kenndaten auf. Die allgemeinen Kenndaten waren wie folgt:
Heizspannung nicht angeschlossen
Heizstrom ' nicht angeschlossen
Gitter Nr. 1 zur
Anodenkappe 0,02
Gitter Nr. 1 zur
Kathodenkappe 8„0
Gitter Nr. 2 und Gitter Nr.3
Kappe nicht angeschlossen
fortges. Seite 8
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Grenz-Nennwerte bei Verwendung in einem Verstärker
der Klasse A:
Anodenspannung 180 Volt
Gitter Nr. 2 (Schirmgitter)
Spannung nicht angeschlossen
Gitter Nr. 1 (Steuergitter)
Spannung, pos. vorgespannt 0 Volt
Anoden-Verlustleistung 1,7 Watt
Schirmgitter-Verlustleistung nicht angeschlossen Kathodenstrom . nicht angeschlossen
Es wurden folgende typische Betriebsdaten erhalten:
Typ. MAX- Einheit
Anoden-Spe is es pannung
Symbol MIN-wert
Gitter Nr.2-
Speisespannung
Widerstand an
Kathodenstiften R
Innenwiderstand
Gegenwirkleitwert g (Transkonduktanz)
Gitter Nr.1 Spannung bei 10 μΑ Anodenstrom
Anodenstrom
Gitter Nr.2 - Strom Verstärkungsfaktor ■ Nutzfrequenz-Grenzwert f Gitterstrom
C2
P m
0,5 3
Wert wert 120
N/C
200 5 U500 6500
Volt
C2
- 5 7
N/C 2 600
-8,5
10
Cl
0hm MOhm μ 0hm
Volt
mA
MHz nanoA
0,1
Wie aus vorstehenden Angaben ersichtlich, läßt sich durch entsprechende Bemessung der Transistoren 16 und 2Ί ein Elektronenröhrenersatz für eine Pentode vom Typ 6AK5 und Röhren der gleichen Gruppe herstellen, der im wesentlichen die gleichen Wechselstrom- und Gleichstromeigenschaften und Betriebsparameter aufweist.
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Für den Ersatz von Pentoden werden die Transistoren 16 und 24 in ihren Eigenschaften im allgemeinen so ausgelegt, daß diese in den nachstehend angegebenen Bereichen liegen:
Der Transistor 16 wird so ausgelegt, daß sein Sättigungsstrom bei 15 Volt zwischen 1 und 60 mA beträgt, die maximale Pinch-off-Spannung für eine zwischen Senken- und Quellenelektrode angelegte Spannung von 10 Volt und einen Strom von 10 yA zwischen Quellen- und Senkenelektrode unter 20 Volt liegt, und die Durchbruchsspannungen bei kurzgeschlossenen Tor- und Quellenelektroden und Tor- und Senkenelektroden über 2 5 Volt liegen.
Der Transistor 24 wird so ausgelegt, daß sein Sättigungsstrom bei 20 Volt zwischen 10 und 150 mA beträgt, die Pinch-off-Spannung für eine zwischen Senken- und Quellenelektrode angelegte Spannung von 5 Volt und einen Strom von 10 yA zwischen Quellen- und Senkenelektrode unter 20 Volt liegt, die Durchbruchsspannung zwischen Senken- und Torelektrode bei nicht angeschlossener Quellenelektrode und für einen Strom von 10 yA zwischen Senken- und Torelektrode über 200 Volt liegt, und die Durchbruchsspannung bei nicht angeschlossener Senkenelektrode und für einen Strom von 10 pÄ zwischen Quellen- und Torelektrode über 50 Volt liegt.
Wie aus den dargestellten Kennlinien ersichtlich, läßt sich die drei Ausgangsklemmen aufweisende Halbleiterschaltung auch zum Ersatz bestimmter Triodenröhren verwenden, welche den Pentodenröhren ähnliche Betriebsstromeigenschaften aufweisen.
309815/0845
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Elektronenröhrenersatz besteht somit aus mehreren Festkörper-Bauelementen und hat den Vorteil, daß er unmittelbar in eine herkömmliche
Elektronenröhrenschaltung bei unverändertem Betrieb derselben einsetzbar ist, so daß keine Änderungen an der mit der Röhrenfassung verbundenen Schaltung und kein Austausch derselben
erforderlich sind.
- Patentansprüche 30981 S /0845

Claims (5)

Patentansprüche :
1.) Festkörper-Elektronenröhrenersatz, gekennzeichnet durch eine Grundplatte (11) mit mehreren in eine zur Aufnahme eines Elektronenröhrenersatzes bestimmte Röhrenfassung einsteckbaren Sockelstiften (12; 1 - 7)9 einen ersten, Niederspannungs-Feldeffekttransistor (16) hohen Verstärkungsgrades mit Quellen-, Senken- und Torelektrode (21, 27, 18), einen zweiten, Hochspannungs-Feldeffekttransistor (24) mittleren Verstärkungsgrades mit Quellen-, Senken- und Torelektrode (28, 31, 26), wobei die Quellenelektrode (21) des ersten Feldeffekttransistors mit dem Kathoden-Sockelstift (2) in der Grundplatte (11) und der Torelektrode (26) des zweiten Feldeffekttransistors (24), die Torelektrode (18) des ersten Feldeffekttransistors mit dem Gitter-Sockelstift (1) iri der Grundplatte, die Senkenelektrode (27) des ersten Feldeffekttransistors mit der Quellenelektrode (2 8) des zweiten Feldeffekttransistors, und die Senkenelektrode (31) des zweiten Feldeffekttransistors mit dem Anoden-Sockelstift (5) in der Grundplatte verbunden ist.
2. Festkörper-Elektronenröhrenersatz nach Anspruch I9 dadurch gekennzeichnet, daß für den ersten Feldeffekttransistor (16) der Sättigungsstrom bei 15 Volt zwischen 15 und 24 mA beträgt, die maximale Pinch-off-Spannung für eine zwischen Senken- und Quellenelektrode angelegte
3098 1 5/08A5
Spannung von 10 Volt und einen Strom von 10 μΑ zwischen Quellen- und Senkenelektrode unter 7 Volt liegt, und die Durchbruchsspannungen bei kurzgeschlossenen Tor- und Quellenelektroden und Tor- und Senkenelektroden über 2 5 Volt liegen, für den zweiten Feldeffekttransistor (2Ό der Sättigungsstrom bei 20 Volt zwischen 20 und 50 mA beträgt, die Pinch-off-Spannung für eine zwischen Senken- und Quellenelektrode (31, 28) angelegte Spannung von 5 Volt und einen Strom von 100 μΑ zwischen Senken- und Quellenelektrode unter 20 Volt liegt, die Durchbruchsspannung bei nicht angeschlossener Quellenelektrode und einem Strom von 10 yA zwischen Senken- und Torelektrode über 275 Volt, und die Durchbruchsspannung bei nicht angeschlossener Senkenelektrode und einem Strom von 10 mA zwischen Quellen- und Torelektrode über 50 Volt beträgt.
3. Festkörper-Elektronenröhrenersatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den ersten Feldeffekttransistor (16) der Sättigungsstrom bei 15 Volt zwischen 1 und 60 mA beträgt, die maximale Pinch-off-Spannung für eine zwischen Senken- und Quellenelektrode (27, 21) angelegte Spannung von 10 Volt und einen Strom von 10 μΑ zwischen Quellen- und Senkenelektrode unter 20 Volt liegt, die Durchbruchsspannungen bei kurzgeschlossenen Tor- und Quellenelektroden und Tor- und Senkenelektroden über 2 5 Volt liegen, sowie für den zweiten Feldeffekttransistor (21I) der Sättigungsstrom bei 20 Volt zwischen
3 0 3 8 1 i> /084 S
10 und 150 mA beträgt, die Pinch-off-Spannung für eine zwischen Senken- und Quellenelektrode (31, 28) angelegte Spannung von 5 Volt und einen Strom von 10 μΑ zwischen Quellen- und Senkenelektrode unter 20 Volt liegt, die Durchbruchsspannung,zwischen Senken- und Torelektrode bei nicht angeschlossener Quellenelektrode und für einen Strom von 10 μΑ zwischen Senken- und-Torelektrode über 200 Volt liegt, und die Durchbruchsspannung bei nicht angeschlossener Senkenelektrode und für einen Strom von 10 μΑ zwischen Quellen- und Torelektrode über 50 Volt liegt.
4. Festkörper-Elektronenröhrenersatz nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sicherungselement (32) zwischen der Senkenelektrode (31) des zweiten Feldeffekttransistors (2H) und dem Anoden-Sockelstift (5) in der Grundplatte (11) geschaltet ist.
5. Festkörper-Elektronenröhrenersatz nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Feldeffekttransistoren (16, 24) auf einem mit der Grundplatte (11) verbundenen Keramikplättchen (14) befestigt sind.
3098IÜ/Ü845
Leerseite
DE2248419A 1971-10-06 1972-10-03 Festkörper-Elektronenröhrenersatz Expired DE2248419C3 (de)

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