-
Vorrichtung für die optisch-elektrische Verteilung von Signalen In
der Fernmeilde- und, Fernsehtechnik besteht sehr oft die Aufgabe, perib@di,sch die
Momentanwerte von zahlreichen gleichen Spannungsquellen., z. B. von Mikrophonen,
Meßorganen usw., auszuwerten. Das durch die Abtastung der momentanen, Spannungswerte
entstehende Signal wird auf einem Kanal, sei es drahtlos oder übeir Leitungen, übertragen,
und am Empfänger wird das übertragene Signal durch eine ähnliche Schaltungsanordnung
wieder in einzelne Kanäle, z. B. Telephone, Meßinstrumente, aufgeteilt. Derartige
Verfahren setzen am Sender und am Empfänger eine synchrone VeTteilervo@rrichtung
voraus. Die Häufigkeit der Abtas.t- bzw. Umschaltvorgänge richtet sich nach der
Höhe der zu übertragenden Frequenzen.. Soll z. B. eine Anzahl Mikrophone zeitlich
nacheinander auf einem Kanal übertragen werden, so muß erfahrungsgemäß die Umschaltfrequenz
höher sein als. die, doppeltehöchste Niederfrequenz eines Sprechkanals. Für Sprachübertragung
genfigt bekanntlich eine Wiedergabe aller Frequenzen, bis q: kHz, die Umschaltfrequenz
muß dementsprechend 8 kHz oder höher sein.
-
Bisher wurde, a;ls Schalter für die beschriebene Aufgabe gewöhnlich
ein. Elektronenstrahl ve-rwendet, der, durch: magnetische oder eil:ektrische, Felder
periodisch abgelenkt, eine Anzahl Kontakte überstreicht. Die Herstellung solcher
Elektronenstrahlschalter befreitet technisch keine Schwierigkeiten, solange@ es
sich um eine geTingei Anzahl von. Kontakten (io bis 2o) handelt. Sie werden aber
außerordentlich kompliziert, wenn einige hundert Kontakte, notwendig sind. Es bereitet
außerdem erhebliche Schwierigkeiten, derartige- Elektronenstrahlschalter mit kleinem
innerem Widerstand herzustellen, also, größere Stromstärken zu verteilen. Je größer
die erwünschte! Stromstärke eines Schalters ist, um so größer werden im allgemeinen
die Ab.-messungen
der Kathodenstrahlbündel und um so weniger Kontakte
können. in einem bestimmten Ab,-lenkbereich des Kathodenstrahles untergebracht werden,.
-
Es sind zahlreiche Vorschläge hekanntgeworden, den. Strahlstrom derartiger
Elektronenstrahlschalter beim Aufprall auf den Kontakt durch Erzeugung von Sekundärelektronen
zu vergrößern:. Mit Rücksieht auf die Gefahr des übersprechens dürfte aber im allgemeinen.
nicht mehr als eine Stufe einer solchen. Vervielfachung möglich sein. Elektronenstrahls.chalter
der beschriebenen. Art haben, außerdem den grundsätzlichen Nachteil, daß sie Strom
nur in einer Richtung transportiere_ Sie eignen sich also nicht zur Erzeugung einer
Verbindung, in der in. beiden. Richtungen Strom fließen kann, solange, der betreffende
Schalteer geschlossen ist.
-
Als Schalter für die. eingangs genannten, Aufgaben wurden, wiederholt
Elektronenröhren. vorgeschlagen in: Form der üblichen. Oszillographen-bzw. Fernsehempfangsröhren,
bei denen an. der Außenseite des Bildschirmes Photozellen- anliegen,. die diel Rolle
der einzelnen Kontakte übernehmen. Der Kathodenstrahl der Röhre wird eventuell an,
seinem Steuerzylinder in seiner Intensität moduliert, überstreicht in, einer Sch.altp-erio,de-
den. Leuchtschirm und dosiert die auf die einzelnem. Photozellen fallenden Lichtmengen.
Bei Verwendung der üblichem Phonozellen (Cäsiumoxy d auf Silberoder Cäsiumantimon)
sind die ausgelösten kleiner als die Str@ahlstromstärkei der Kathodenstrahlröhre,
und eine derartige S.chaltanoednung verlangt eine außerordentllich große Nachverstärkung.
Aus diesem Grund wurde sie bisher technisch, kaum eingesetzt.
-
Da Photozellen der üblichen Art auch nur in einer Richtung stromdurchlässig
sind, können sie nur beschränkt als Schalter verwenden werden wie ein Elektronenstrahl
selbst. Außerdem hängt bei allen Zellen mit äußerem Photoeffekt der fließende Strom
in bekannter Weise von der angelegten Spannung ab. Von einem Schalten- wird aber
verlangt, daß sein Widerstand uniabhängig von dez angelegten Spannung ist, außerdem
daß sein Widerstand im offenen Zustand unendlich Üst und möglichst klein, vor allem
konstant im geschlossenen Zustand. Alle bisher bekannten Pholtozellen sind daher
aus diesem Grundei als Schalter ungeeignet.
-
Die! bisherigen Nachteile derartiger elektrooptischer Schalter worden,
erfindungsgemäß durch die Verwendung photoempfindlicher Schichten vermieden, deren
Widerstand im unbeliohtetein Zustand unendlich und deren. Leitfähigkeit durch die
steuernde Belichtung so groß wird, d:aß die ausgelösten Ströme ein Vielfaches des
Strahlstromes der lichterzeugenden Kathodenstrahlröhre sind. Halbleiter wii#e-,
Cadmiumsulfid, Antimontrisulfid, Silicium, Germanium us.w., die in bekannter Weise
hergestellt werden, besitzen im Dunkeln, j e nach der Elektrodenanordnung Widerstände
von ioG bis io8 Ohm. Durch einen Lichtstrom von i lm belichtet, fällt der Widerstand
z. B. bei CdS-Zellen, wie sie Fig. i a und i b, zeigen, auf einen Bettrag unter
z kOhm. Der Widerstand isst unabhängig vom der Größe und der Richtung der angelegtem
Spannung.
-
F ig. r a zeigt schematisch den. Aufbau einer CdS-Zelle, deren Schicht
auf ein beliebiges, undurchsichtiges Trägermetall in einer Schichtdicke von etwa
iy aufgebracht ist und. deren. Gegenelektrode eine transparente, leitende Metallschicht
bildet. In einer derartigen Zelle kann. durch einen Lichtstrom von i lm bei einer
Fläche von einigen Quadra.tzentimeteTn je nach der angelegten. Spannung ein. Strom
bdis zu ioo mA fließen. Mit einer Elektrode@nanordn.ung, wie sie Fig. i b. zeigt,
beträgt bei gleicher Belichtung der Strom etwa io mA/lm. Dafür kann eine derartige
Zelle miit wesentlich höherer Spannung betrieben, werden als, diel in Fig: i a gezeigte
Form. Den- Innenwiderstand der' CdS-Zelle für einen bestimmten Lichtstrom kann durch
die Elektrodvnanordnung, die Schichtdickei und' durch den. Einsbau von: bestimmtem
Fremdatomen, in. das CdS-Gitter weitgehend geändert werden:. Im Gegensatz zu den
geib,räuchllilohen Photozellen mit äußerem lichtelektrischem Effekt ist nicht der
Sättigungsstrom durch die einfallende Lichtmenge bestimmt, sondern der, Zellenwiderstand.
Die maximal zulässige Stromstärke ist begrenzt durch die Erwärmung der Schicht.-
Ändert sich die auffallendeLidhtmenge periodisch, darin ändert sichder Leitwert
der Zellen. den zeitlichen: Lichtwerten entsprechend. Diel obere Grenze für die
Lichtänderungen, denen diel CdJS-Zellen noch folgen können, k@#gt je nach. Elektroidenanordnung
und Aktivierung bei etwa, i04 bis io5 Hz, vorausgesetzt, daß bei der gewählten Spannung
bzw. Feldstärke kenne Sekundäreffekte auftreten.
-
Der Aufbau eines elektrooptischen Schalters unter Verwendung einer
steuerbaren Elektronenstrahlröhre als Lichtquelle und der genannten CdS-Zellen sei
an Hand dar Fig. a beschrieben. Eine Anzahl Spannungsquellen S1, S2 ... S",
etwa Mikrophone, sind jeweils mit einer CdiS-Zelle in Serie geschaltet und liegen
in einer gemeinsamen. Leitung. Da im unbelichteten Zustand der Widerstand der CdS-Zellen
außerordentlich hoch ist, wird jeweils nur die -Spannungsquelle mit der gemeinsamen
Leitung verbundent, deren CdS-Zelle beliehtet ist. Die perio@disohe Belichtung d"er
n Cd:S-Zellen erfolgt durch den: umlaufenden oder abgelenkten Kathodenstrahl einer
üblichen, Fernsehempfangsröhre-, deren. Phosphor innerhalb einer Zeiilt abklingen
muß, die gleich oder kürzer ist als der Übergang des E lektronßus trah les von ei
nem Kontaktfeld zum nächsten. Phosphore wie Zn0 besitzen eines Zeitkonstante, von
i # Io-5 Seleunden für das emittierte blaugrüne Liioht. Einei im UV liegende Strahlung
desselben Phosphors klingt mit i - io-7 Sekunden ab-. Eine Kathodenstruhlröh@re
mit einem Zn 0-Phosphor kann also in Verbindung mit CdS-Zellen bis, io5 Schaltvorgänge
pro Sekunde durchführen. D!i!c CdS-Zellen können längs einer, Geraden an der Außenwand
des Glaskolbens anliegen, oder- längs eines Kreises (Feg. 3 a und 3 b). Im
ersten Fall wind der Kathodemstrahl, durch
einen sägezahnförmigen
Strom oder eine Spannung abgelenkt, im zweitem: Fall durch ein Drehfeld. Mit Rücksicht
auf dem. Zeitverlust, der durch den Rücklauf des linear abgelenkten. Strahles entsteht,
wird man meist den umlaufenden Kath.odenstralil vorziehen. Die, Helligkeit aller
Lichtpunkte, also, die Strahls.trom,stärke des Kathodenstrahlscha.lters, bleibt
bei Verwendung deis Schalteers auf der Sendeseite, d. h. beim Übergang von zz Kanälen
auf einen Kanal, konstant.
-
Dieselbe Schalteranordnung kann auf der Empfangsseite zur Verteilung
der in. einem Kanal übertragenen Signale! auf die entsprechende, Anzahl Empfänger
eingesetzt werden. In diesem Fall moduliert .das ankommende Signal die Stromstärke
des Kathodenstrahles, entsprechend ändern sich die Helligkeitswerte des Phosph.oTs
und damit die Ströme in den. einzelnen:. CdS-Zellen,. Die! CdS-Zellen liegen in
Serie mit den jeweiligen Empfängern El, E2 . . . En an einer gemeinsamen Batterie
(Feg. 2b). In dieser darf der Phosphor wie, auch: die Zelle eine Trägheit besitzen
von gleicher Größe i wie die Scha:ltperiode.
-
Sollen. z. B. zehn Telephongespräche, gleichzeitig auf einer Leitung
übertragen werden bei einer maximalen Sprachfrequenz von 4, kHz, so muß bei einer
Umschaltfrequenz vom 8 kHz Ph.ospho,r und CdS-Zelle der Sendeseite innerhalb i -
io-5 Sekunden, auf der Empfangsseite in.nerha,l:b, i - io-4 Sekunden abklingen.
Es ist vorteilhaft, auf der Empfangsseiitei diel Trägheit des Phosphors und der
CdS-Zellen von der Größenordnung der Schaltdauer zu wählen; da in diesem Fall jede
elektrische Speicherung entfällt.
-
Die CdS-Zelle, in der beschriebenen Verbindung mit eineu Elektronenstrahlröhre
ist nicht nur ein außerordentlich einfacher Verteileir, sondern gleiichzeitig ein
Verstärker für Ströme, Spannungen und Leistungen. Der in einer CdS-7_eille ausgelöste
Strom kann leicht den. iooo- bis ioooofach;en Betrag annehmen wie der in der Kathodenstrahlröhre
fließen.d,c Strah.lstrom. Es treffe, z. B. ein. Elektronenstrahl von i qcm Querschnitt
auf eine:n,Pho@sphor wie ZiiS oder Zn0 mit einer Strahlstromstärke von io ,uA bei
einer beschleunigten Spannung von 15 kV. Die im Phosphor in Licht umgewandelte elektrische,
Leistung beträgt somit o,15 W. In einem Phosphor wie Zn S beträgt die durch Elektronenbombardement
erzeugte Lichtstärke etwa, 4 HK/W. Für die, genannte Strahlleistung von o,15 W entstehen
demnach o,6 HK. Der Phosphor sei rückwärtig mit einer für die Elektronen durchlässigen
Aluminiumschicht bedeckt, so daß der größte Teil des Lichtstromes nach vorn ausgestrahlt
wird. In einer Pho@tozell:e-, die unmittelbar an der Außenwand d-er Röhre, anliegt,
betrage der Nutzlichtstrom i lm. In einer CdS-Zelle von i bis 2 qcm Fläche mit einer
El:ektrodena:nordnung, wie sie. Fig. i b, zeigt, wird der Widerstand durch einen
Lichtstrom von. i Im auf' etwa i kOhm herabgesetzt. Bei einer angelegten Spannung
von io V fließt bereits ein: Strom vom, io mA, d. h. ein Elelztronenstrom von io
,uA in der Kathodenstrahlröhre löst einen. Strom von io mA in der Zelle aus. Die
Anordnung besitzt also eine iooofache, Stromveirstärkung. Mit nach höherer Spannung
aal der Zelle kann bei gleichem Licht ein wesentlich größerer Strom, erhalten werden
und damit eine wesentlich größere Stromverstärkung, solange die in der Zelle entwickelte
Wärme dies zuläßt.
-
Legt man in Serie mit der CdS-Zelle einen Verbraucher; dessen Innenwiderstand
gleich. dem Zellenwiderstand. oder größer ist, so: kann die gesteuerte! Leistung
ebenfalls ein Vielfaches der primären Strahlstromle iistung werden.
-
An Cd:S-Zellen in der Form von Fig. i c, an die eine; Spannung von
einigen hundert Volt angelegt werden kann und bei denen. Arbeitswiderstände von
ioo kOlim bis i MOhm zulässig sind, kann. am Arb:eiitswiderst.and eine Nutzspannung
entnommen werden von einem Vielfachem der Steuerspannung des Wehneltzyliilders.
Diet Verbindung einer Ka,-thodenstrah.lröbre, als Lichtquelle mit CdS-Zellen besitzt
also auch die Eigenschaft eines Spannungsverstärkers.
-
Vom der Möglichkeit der Stromverstärkung wird man dann Gebrauch: machen,
wenn eis sich darum handelt, in, einer' Verteileranlage in. allen Kanälen eine Stromstärke:
zu erhalten, die :gleich oder größer als die Stromnstärkci der Verteilerröhre ist.
-
Besteht die- Aufgabe z. B. darin, ein hoichfrequentes elektrisches
Signal magnetisch, zu registrieren, und sei die aufzuz:eichnendet Frequenz ein Vielfaches
derjenigen,, die bei einer üblichen Geschwin:digke!iit des Filmbandes und Spaltbereitet
des magnetischen. Kopfes wiedergegeben. werden kann, so@ wird eine; Aufteilung des
ho,chfreque;nten. Signals auf eine, Anzahl parallel arbeitender Aufn.ahmeorganei
notwendig. Der Übergang von dem ursprünglichen ho@chfrequen.ten Signal auf das System
von. gleichzeitig registrierenden. Köpfen erfolgt durch eine Verteileranlage, wie,
sie im vorstehenden. beschrieben wurde,. Einei optscih: elektrische, Vorteilung
unter Verwendung der üblichen Cs0- oder SbCs-Pho,toze@ll,en würde eine mehrstufige
Verstärkung :im jedem Kanal erfoirde:rn. Mit CdS-Zellen. kann die fier eine: magnetische
Aufzeichnung notwendige Stromstärke unmittelbar erhalten werden:, auch wenn die
Zahl der CdS-Zellen, d. h. die Zahl der gleichzeitig registrierenden. magnetischen:
Köpfe, einige Hundert beträgt. Die St:rahlstroms:tärke der Kathodenstrahlröhre beträgt
in diesem Fall einige Miniampere, der mittlere, Strom: in einem Kanal liegt bei
einigen Milliampere, und der gesamte, ausgelöste Strom in etwa ioo Photozellen erreicht
die, Größenordnung von i A.
-
Zur Anordnung der lichtelektrischen Zellen: an der Außenwand einer
Fernsehröhre sei noch bemerkt, da@ß bei einer größeren Zahl von Zeillen die .in
Fig. 3 c gezeigte Verteilung die Leuchtfläche der Röhre am besten ausnutzt. An einem
Schirm einer Reich.teckröhre, von: 20 X 30 cm lassen sich einige hundert
Zellen unterbringen. Dabei hat jede Zelle eine Fläche von mehr als i qcm, und. die
Abständet gegen. die, benachbarten Zeillen, können einige Millimeter
betragen.,
so, d@aß das optische übersprechen einen. durch dlile betreffende Aufgabe bestimmten
Betrag nicht überschreitet. Die Zwischenräume zwischen den Kontaktflächen sind zweckmäßig
nicht von Phosphor bedeckt; oder der Elektronenstrahl wird beim Übergang von einem
Feld zum nächsten ausgetastet. Sind mehr Schaltzellen notwendig, als vor dem Schirm
eiiner Kathodenstrahlröhre angeordnet werden können., verteilt man die CdS-Zellen
auf mehrere Röhren gleicher Art, die gleichzeitig oder zeitlich, nacheinander die
Umschaltung oder Verteilung durchführen.
-
Wenn bisher die periodische Auslösung der Leitfähigkeit in eüher Anzahl
halbleitender Zellen, für die Verwendung als Schalter beschrieben wurde, derart,
daß diese periodische Belichtung durch den bewegtem Lichtfleck einer Kathodenstrahlröhre
erzeugt wird, so soll die Erfindung auch diejenigen optischen Verteiler oder Schalter
umfassen, bei denen dein Lichtstrahl einer beliebigen Lichtquelle (Glühlampe, Bogenlampe)
durch mechanische Hilfsmittel, wie Drehspiegel oder Spiegelpolygone, über Kontaktzellen
bewegt wird. Je nach der Aufgabe des Schalters ist dabei der Lichtstrom im ganzen.
konstant, oder ei- wird durch bekannte Verfahren in seiner Intensiiität geändert,
z. B. durch direkte Steuerung deir Lichtquelle (H.g-Ho,chdruclela@mpe@) oder durch
Verwendung eines Lichtventils.