DE906112C

DE906112C - Toggle switching with two stable switching states

Info

Publication number: DE906112C
Application number: DEI5318A
Authority: DE
Inventors: Marion Loren Wood
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1950-12-27
Filing date: 1951-12-19
Publication date: 1954-03-11
Also published as: US2598631A; FR1054235A; GB728739A

Description

Kippschaltungen mit einem stromabhängigen Widerstandselement, dessen Kennlinie einen positiven und einen negativen, einen ansteigenden und einen abfallenden Kurvenzweig aufweist, haben die Neigung, während des Betriebes ihre stabilen Lagen zu verändern, weil die Kennlinie des Widerstandes sich im positiven und auch im negativen Bereich mit der Zeit verschiebt.Trigger circuits with a current-dependent resistance element, the characteristic curve of which has a positive and has a negative, a rising and a falling branch of the curve, have the tendency to change their stable positions during operation, because the characteristic curve of the resistance changes in the both positive and negative over time.

Gemäß der Erfindung werden die durch diese Verschiebung bedingten Änderungen der beiden stabilen Lagen einer Kippschaltung ausgeglichen. Als stromabhängiger Widerstand wird z. B. eine Kristalldiode oder ein Heißleiter verwendet. Eine Kristalldiode ist ein Gleichrichter, der aus einem sehr kleinen Block eines vorbehandelten Halbleiters, wie z. B. Germanium oder Silizium, besteht, der unter bestimmten Betriebsbedingungen einen positiven und einen negativen Widerstandskennlinienanteil besitzt. Die eine Fläche des Gleichrichters steht mit einer dünnen Metallkontaktfeder in Berührung. Wenn eine Kristalldiode mit einem negativen Kennlinienbereich in Reihe mit einem konstanten, linearen Widerstand und einer Spannungsquelle geschaltet wird, kann diese Schaltung als Kippschaltung mit zwei stabilen Gleichgewichtszuständen verwendet werden, wobei die Diode beim Arbeiten in ihrem positiven Kennlinienbereich die Kippschaltung in den einen stabilen Zustand und beim Arbeiten in ihrem negativen Kennlinienbereich in den anderen stabilen Zustand schaltet. Jedoch arbeitet eine solche Schaltung nicht einwandfrei, da die Kennlinien solcher Dioden sich verschieben. Der Grund solcher Verschiebungen ist nicht genau bekannt. EsAccording to the invention, the changes in the two caused by this shift become stable Layers of a toggle switch balanced. As a current-dependent resistor z. B. a crystal diode or an NTC thermistor is used. A crystal diode is a rectifier that is made up of a very small block a pretreated semiconductor, such as. B. germanium or silicon, is made under certain operating conditions has a positive and a negative resistance characteristic component. The one surface of the rectifier is in contact with a thin metal contact spring. When a crystal diode with a negative characteristic range in series with a constant, linear resistance and a If the voltage source is switched, this circuit can be used as a flip-flop with two stable states of equilibrium are used, the diode when working in its positive characteristic range Toggle switching in a stable state and when working in its negative characteristic range in the another stable state switches. However, such a circuit does not work properly because of the characteristics such diodes shift. The reason for such shifts is not exactly known. It

wird angenommen, daß sie durch kreisende Wärmeströmungen in dem Kristall hervorgerufen werden. Zur Kompensation dieser Abweichungen wird eine Elektronenröhre vorgesehen, deren Gitter durch die Kristalldiode gesteuert wird und die positiv rückgekoppelt ist. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr an Hand der Figuren näher erläutert. Fig. ι ist die Schaltung eines Ausführungsbeispieles gemäß der Erfindung;it is assumed that they are caused by circulating heat flows in the crystal. To compensate for these deviations, a Electron tube provided, the grid of which is controlled by the crystal diode and which has positive feedback is. An embodiment of the invention will now be explained in more detail with reference to the figures. Fig. Ι is the circuit of an embodiment according to the invention;

ίο Fig. 2 zeigt die Kennlinien der in Fig. ι verwendeten Schaltelemente.ίο Fig. 2 shows the characteristics of the used in Fig. ι Switching elements.

Nach Fig. ι ist die Kippschaltung über die Leitungen Ii und 12 mit der Betriebsspannungsquelle ίο verbunden. Die Kippschaltung enthält eine Reihent5 schaltung eines Strombegrenzungswiderstandes 13, einer Kristalldiode 14 und einer Elektronenröhre 15. Statt der Kristalldiode kann auch jedes zweipolige Widerstandselement verwendet werden, das neben dem positiven auch einen negativen, veränderlichen Widerstandsbereich aufweist. Der negative Pol der Vorspannbatterie 16 ist mit der einen Klemme des Spannungsteilers 17 verbunden, dessen Abgriff 19 über einen Widerstand 18 zum Steuergitter der Elektronenröhre 15 führt. Der veränderbare Abgriff 19 ist so eingestellt, daß die Röhre 15 stets unabhängig von dem eingestellten Stabilitätszustandder Kippschaltung leitet. Die Röhre ist über eine Impedanz zur Kompensation der Kennlinienabweichung positiv rückgekoppelt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Rückkopplungsleitung zwischen der Anode der Röhre und der Kontaktfeder 24 abgezweigt und führt zur oberen Klemme des Spannungsteilers 17, dessen Abgriff 19 mit dem Gitter über den Widerstand 18 verbunden ist. Eine Impulsspannungsquelle 20, die positive und negative Impulse liefert, liegt über einen Kondensator 21 ebenfalls an dem Steuergitter der Röhre 15, um die Kippschaltung von einer stabilen Lage in die andere stabile Lage zu kippen.According to Fig. Ι the flip-flop via the lines Ii and 12 connected to the operating voltage source ίο. The trigger circuit contains a series circuit of a current limiting resistor 13, a crystal diode 14 and an electron tube 15. Instead of the crystal diode, any two-pole resistance element can be used, which next to the positive also has a negative, variable resistance range. The negative pole of Bias battery 16 is connected to one terminal of the voltage divider 17, the tap 19 of which via a resistor 18 leads to the control grid of the electron tube 15. The changeable tap 19 is like this set that the tube 15 always regardless of the set stability state of the flip-flop directs. The tube is positively fed back via an impedance to compensate for the deviation from the characteristic. In this embodiment the feedback line is between the anode of the tube and the contact spring 24 branches off and leads to the upper terminal of the voltage divider 17, whose tap 19 is connected to the grid via resistor 18. A pulse voltage source 20, the positive and supplies negative pulses, is via a capacitor 21 also on the control grid of the tube 15 to the Toggle switching from one stable position to the other stable position.

Die Kristalldiode 14 besitzt einen winzig kleinen Block aus vorbehandeltem Halbleitermaterial 22, wie z. B. Germanium oder Silizium, dessen eine Fläche mit einer metallischen Grundplatte 23 versehen ist und dessen parallel gegenüberliegende Fläche mit einer äußerst feinen Kontaktfeder 24 in Berührung ist. Bei einer Germaniumdiode weist, wenn die der Grundplatte 23 zugeleitete Spannung gegenüber der Kontaktfeder 24 positiv ist, wie es bei Fig. 1 der Fall ist, die Diode einen ziemlich hohen Widerstand auf, der gewöhnlich als Sperrwiderstand bezeichnet wird. Andererseits ist, wenn die an die Kontaktfeder 24 gelegte Spannung gegenüber der Grundplatte 23 positiv ist, der Widerstand der Diode ziemlich niedrig, der gewöhnlich als Durchlaßwiderstand bezeichnet wird. Daher besitzt die Kristalldiode 14 mit hohem Sperrwiderstand und niedrigem Durchlaßwiderstand die Eigenschaften eines Gleichrichters. Bekanntlich rührt die Gleichrichtwirkung der Kristalldiode von den Eigenschaften der Oberflächenschicht des Halbleiters 22 an seinem Berührungspunkt mit der Kontaktfeder 24 her. Im Bereich dieses Kontaktes befindet sich eine starke Konzentration negativer Ladung, die als Sperrpotential für den Elektronenfluß von dem Halbleiter oder Kristall in die Kontaktfeder wirkt. Wenn der Kontaktfeder ein negatives Potential zugeleitet wird, so wird das Sperrpotential vergrößert, so daß die Zahl der Elektronen, die genügend Energie zum Überschreiten dieser Sperre besitzt, stark verringert wird. Wenn jedoch die Kontaktfeder an ein positives Potential gelegt wird, wird eine größere Anzahl Elektronen mit genügend Energie die Sperrschicht überschreiten können. Wäre das Verhältnis zwischen dem von der Grenzschicht durchgelassenen Strom und der zwischen der Kontaktfeder und der Grundplatte angelegten Spannung linear, so würde keine Gleichrichtung stattfinden, da der Widerstand konstant wäre. Dies ist jedoch nicht der FaU, da der Strom zur Spannung in einem exponentiellen und daher in einem äußerst nichtlinearen Abhängigkeitsverhältnis steht, wodurch eine Gleichrichtung infolge der Annäherung an die Kennlinie eines idealen Gleichrichters ermöglicht wird.The crystal diode 14 has a tiny block of pretreated semiconductor material 22, such as z. B. germanium or silicon, one surface of which is provided with a metallic base plate 23 and its parallel opposite surface is in contact with an extremely fine contact spring 24. In the case of a germanium diode, if the voltage supplied to the base plate 23 is opposite to the contact spring 24 is positive, as is the case with Fig. 1, the diode has a fairly high resistance, commonly referred to as reverse resistance will. On the other hand, when the tension applied to the contact spring 24 is relative to the base plate 23 is positive, the resistance of the diode is quite low, usually called forward resistance referred to as. Therefore, the crystal diode 14 has high and low reverse resistance Forward resistance the properties of a rectifier. As is well known, the rectifying effect stirs of the crystal diode on the properties of the surface layer of the semiconductor 22 at its point of contact with the contact spring 24. There is strong concentration in the area of this contact negative charge, which acts as a blocking potential for the flow of electrons from the semiconductor or crystal in the contact spring acts. If the contact spring is supplied with a negative potential, it becomes the blocking potential increases so that the number of electrons that have enough energy to cross this barrier owns, is greatly reduced. However, if the contact spring is connected to a positive potential, a larger number of electrons with enough energy will be able to cross the barrier layer. Were the ratio between the current passed by the boundary layer and that between the contact spring and the voltage applied to the baseplate is linear, no rectification would take place since the Resistance would be constant. However, this is not the case, since the current to voltage is exponential and is therefore in an extremely non-linear dependency relationship, whereby a rectification is made possible due to the approximation to the characteristic of an ideal rectifier.

Das Arbeiten der Kippschaltung setzt voraus, daß die Kennlinie der Diode einen negativen und positiven Widerstandsbereich aufweist, wie sie in der Kurve OB der Fig. 2 gezeichnet ist. Die Kurve OB der Diode ist statisch durch Messen der Spannungen und des Stromes ermittelt. Es soll nun, indem die Anoden-Gitter-Rückkopplung im Augenblick nicht berücksichtigt wird, angenommen werden, daß die Gittervorspannung der Röhre 15 konstant bleibt und daß die Kurve 25 (Fig. 2) die Kennlinie der Röhre 15 mit einer konstanten Gittervorspannung darstellt. Nach Fig. 2 besitzt der Kippkreis die beiden stabilen Zustände 26 und 27. Der Schnittpunkt 26 entspricht der Aus-Stellung der Kippschaltung und der Schnittpunkt 27 der Ein-Stellung der Kippschaltung. Die Kippschaltung kippt von der Aus- in die Ein-Stellung, wenn ein positiver Impuls von der Quelle 20 dem Steuergitter der Röhre 15 zugeleitet wird. Der Kippkreis geht von der Ein- in die Aus-Stellung, wenn ein negativer Impuls von der Quelle 20 dem Steuergitter der Röhre 15 zugeleitet wird.The operation of the multivibrator assumes that the characteristic curve of the diode has a negative and positive resistance range, as shown in the curve OB of FIG. The curve OB of the diode is statically determined by measuring the voltages and the current. Now, ignoring the anode-to-grid feedback for the moment, let it be assumed that the grid bias of tube 15 remains constant and that curve 25 (FIG. 2) represents the characteristic of tube 15 with a constant grid bias. According to FIG. 2, the trigger circle has the two stable states 26 and 27. The point of intersection 26 corresponds to the off position of the trigger circuit and the point of intersection 27 corresponds to the on position of the trigger circuit. The flip-flop toggles from the off to the on position when a positive pulse from source 20 is applied to the control grid of tube 15. The toggle circuit goes from the on to the off position when a negative pulse from the source 20 is applied to the control grid of the tube 15.

Da jedoch die Kennlinie OB infolge der durch Wärme oder Alterung hervorgerufenen Änderungen der Diode 14 von diesem ursprünglich aufgenommenen Verlauf abweicht, wenn sie sich z. B. bis zur Kennlinie OC verschiebt, kann der Stromkreis nicht als Kippschaltung arbeiten, da nur ein stabiler Gleichgewichtszustand, nämlich der Schnittpunkt 28, vorhanden ist. Ebenso würde, wenn die Kennlinie sich bis zur Kurve OD verschieben würde, der Schnittpunkt 29 den einzigen stabilen Zustand darstellen und dadurch das Arbeiten der Schaltung als Kippschaltung verhindern.However, since the characteristic curve OB as a result of the changes in the diode 14 caused by heat or aging deviates from this originally recorded course when it changes z. B. shifts up to the characteristic OC , the circuit cannot work as a flip-flop, since only a stable state of equilibrium, namely the intersection point 28, is present. Likewise, if the characteristic curve were to shift up to the curve OD , the intersection 29 would represent the only stable state and thereby prevent the circuit from working as a flip-flop.

Wenn nun die durch den positiven Anoden-Gitter-Rückkopplungskreis oder durch den Ausgleichsstromkreis der Röhre 15 erzielte Wirkung betrachtet wird, so stellt die Kurve AE die Kennlinie der Röhre 15 mit der Anoden-Gitter-Rückkopplung dar, die nach Fig. 2 einen schrägen mittleren Teil aufweist, der beträchtlich größer ist als der schräge Teil der Kennlinie 25. Durch die Einschaltung der Ausgleichs- oder Stabilisierungsrückkopplungsschleife in den Stromkreis der Fig. 1 kann also die Kippschaltung eine Gleichgewichtslage bei einem der beiden stabilen Zustände für die Kennlinien OB, OC und OD ein-If now the effect achieved by the positive anode-grid feedback circuit or by the compensation circuit of the tube 15 is considered, the curve AE represents the characteristic of the tube 15 with the anode-grid feedback, which according to FIG comprising part which is considerably larger than the inclined part of the characteristic curve 25. Due to the activation of the compensation or stabilization feedback loop in the circuit of FIG. 1 so the flip-flop, an equilibrium position at either of the two stable states for the characteristics OB, OC and OD a-

nehmen. Für die Kennlinie OB der Diode sind die beiden stabilen Lagen mit 30 und 31, für die Kurve OC mit 32 und 33 und für die Kurve OD mit 34 und 35 bezeichnet.to take. For the characteristic curve OB of the diode, the two stable positions are designated by 30 and 31, for the curve OC by 32 and 33 and for the curve OD by 34 and 35.

Die Kippschaltung nach Fig. 1 wird, wenn die Diode 14 auf der Kennlinie OB arbeitet, von der Aus-Stellung 30 in die Ein-Stellung 31 kippen, wenn ein positiver Impuls dem Steuergitter der Röhre 15 aufgedrückt wird. Durch Zuleitung des positiven Impulses zu dem Steuergitter wird die Röhre weiter ins positive Gebiet ausgesteuert und somit ihr Anodenstrom erhöht. Normalerweise bewirkt bei Elektronenröhrenschaltungen mit einem konstanten linearen Widerstand als Anodenbelastung eine Erhöhung des Anodenstromes eine Verminderung der Anodenspannung. Dies ist bei dem Stromkreis nach Fig. 1 jedoch nicht der Fall. Wenn der Anodenstrom durch die Röhre 15 steigt, erhöht sich das Anodenpotential, da die Kristalldiode von ihrem positiven in ihren negativen Widerstandsbereich geringeren Widerstandes übergeht, wenn die Schaltung von ihrer Aus- in ihre Ein-Stellung kippt. Der Anstieg der Anodenspannung erhöht über den Rückkopplungskreis das Gitterpotential. Durch die Erhöhung des Gitterpotentials steigt wiederum der Anodenstrom. Diese Wirkung steigert sich, bis die Ein-Stellung 31 erreicht ist. Die Ein-Stellung ist erreicht, wenn der Diodenstrom gleich dem Röhrenstrom ist und der durch die Diode fließende Strom in bezug auf die Diodenspannung sich stärker ändert als der Anodenstrom in bezug auf die Anodenspannung.The flip-flop circuit according to FIG. 1 will, when the diode 14 operates on the characteristic curve OB , toggle from the off position 30 to the on position 31 when a positive pulse is applied to the control grid of the tube 15. By supplying the positive pulse to the control grid, the tube is driven further into the positive area and thus its anode current is increased. Normally, in electron tube circuits with a constant linear resistance as anode load, an increase in the anode current causes a decrease in the anode voltage. However, this is not the case with the circuit according to FIG. 1. When the anode current through the tube 15 increases, the anode potential increases because the crystal diode changes from its positive to its negative resistance range of lower resistance when the circuit toggles from its off to its on position. The rise in the anode voltage increases the grid potential via the feedback circuit. By increasing the grid potential, the anode current increases in turn. This effect increases until the on position 31 is reached. The on position is reached when the diode current is equal to the tube current and the current flowing through the diode in relation to the diode voltage changes more than the anode current in relation to the anode voltage.

Der Stromkreis kippt von der Ein-Stellung 31 in die Aus-Stellung 30, wenn ein negativer Impuls dem Steuergitter der Röhre 15 von der Quelle 20 aus zugeleitet wird. Der negative Impuls vermindert die Leitfähigkeit der Röhre und setzt durch die Abnahme des Anodenstromes die Anodenspannung herab, da die Diode 14 von dem negativen auf einen positiven Widerstandsbereich größeren Widerstandes übergeht. Durch die Abnahme der Anodenspannung wird die positive Rückkopplungsspannung vermindert und das Gitter weiter in das negative Gebiet ausgesteuert; die Leitfähigkeit der Röhre nimmt weiter ab. Diese Wirkung verstärkt sich, bis der Aus-Zustand erreicht ist.The circuit flips from the on position 31 to the off position 30 when a negative pulse occurs Control grid of the tube 15 is fed from the source 20 from. The negative impulse reduces the Conductivity of the tube and reduces the anode voltage due to the decrease in the anode current, there the diode 14 changes from the negative to a positive resistance range of greater resistance. By decreasing the anode voltage, the positive feedback voltage is decreased and that Grille driven further into the negative area; the conductivity of the tube continues to decrease. These Effect increases until the off state is reached.

Der Widerstand der Kristalldiode 14 steuert die Gittervorspannung der Röhre 15; die Gittervorspannung der Röhre 15 ist für die beiden stabilen Zustände verschieden groß. Wenn die Kennlinie OB sich bis zur Kurve OC verschiebt, vermindert sich z. B. der Widerstand der Diode bei einem bestimmten Diodenstrom und bewirkt, daß die Gittervorspannung der Röhre 15 weniger negativ ist, als wenn die Diode auf der Kurve OB arbeitet, wodurch die durch die Verschiebung der Kennlinie hervorgerufene Wirkung ausgeglichen wird. Durch die Abhängigkeit der Gittervorspannung der Röhre 15 von der Widerstandskennlinie der Diode sind größere Abweichungen der Kristalldioden-Widerstandskennlinie zulässig, als wenn die Gittervorspannung konstant gehalten würde. Die folgenden Werte sind aufeinander abgestimmt und werden als ein Satz von Werten genannt, durch die ein einwandfreies Arbeiten der Kristalldiode und der Elektronenröhre gewährleistet ist. Dieser Satz von Werten ist nur als Beispiel angeführt, da die Werte von den Kennlinien der verwendeten Diode und der Elektronenröhre abhängen.The resistance of crystal diode 14 controls the grid bias of tube 15; the grid bias of the tube 15 is different for the two stable states. If the characteristic curve OB shifts to the curve OC , z. B. the resistance of the diode at a certain diode current and has the effect that the grid bias of the tube 15 is less negative than when the diode operates on the curve OB , whereby the effect caused by the shift in the characteristic is compensated. Because the grid bias of the tube 15 is dependent on the resistance characteristic of the diode, greater deviations in the crystal diode resistance characteristic are permissible than if the grid bias were kept constant. The following values are coordinated with one another and are named as a set of values by which proper functioning of the crystal diode and the electron tube is guaranteed. This set of values is only given as an example, since the values depend on the characteristics of the diode and the electron tube used.

Stromquelle 10 = 225 V, Stromquelle 16 = 135 V, Widerstand 13 = 1200 Ω, Widerstand 17 = 0,5 ΜΩ, ■ Widerstand 18 = 0,1 ΜΩ. Current source 10 = 225 V, current source 16 = 135 V, resistor 13 = 1200 Ω, resistor 17 = 0.5 ΜΩ, ■ resistor 18 = 0.1 ΜΩ.

Claims

Patent claims:

1. flip-flop with two stable switching states, characterized in that a current-dependent Resistance with a positive and a negative resistance range with an electron tube and the operating voltage in Are connected in series and that the electron tube according to the changes in resistance is controlled.

2. flip-flop circuit according to claim 1, characterized in that the electron tube is positive is fed back and the magnitude of the feedback voltage depends on the magnitude of the change in resistance of the current-dependent resistance depends.

3. flip-flop circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the grid of the electron tube positive or negative pulses are imposed by a power source and that by supplying a positive pulse the Flip-flop in a stable state and by supplying a negative pulse in the another stable state is switched.

4. Toggle switch according to claim 1 and 2, characterized in that the control of the Electron tube is done so that the result of the change, z. B. aging, occurring displacement the resistance characteristic is compensated.

5. Toggle circuit according to one of the preceding claims, characterized in that as a current-dependent Resistance a crystal diode or a thermistor is used.

6. Toggle circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the characteristic curve of the current-dependent resistor consists of two parts, the first part of which is the working area a high positive resistance and the second part the working range of a negative Includes resistor with a smaller resistance value.

7. flip-flop circuit according to claim 3, characterized in that by supplying a positive Pulse the toggle switch to the on position and when a negative pulse is fed into the Off position tilts.

8. trigger circuit according to claim 1, characterized in that in the on-state of the trigger circuit the variable resistance in its negative range and in the off-state of the flip-flop works in its positive domain.

1 sheet of drawings