DE971860C - Wechselstrom-Steuerschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Steuerschaltungen, insbesondere Schaltungen dieser Art, bei denen fotoleitende Einrichtungen verwendet werden, welche elektrische Energie unter dem Einfluß einfallender Lichtenergie übertragen. Es sind darunter Schaltungen zu verstehen, welche zwischen einer Quelle für elektrischen Strom und einer diesen Strom verbrauchenden Belastungseinrichtung angeordnet sind und welche die Übertragung des elektrischen Stromes während eines gegebenen Zeitintervalls unter dem Einfluß eines getrennten Steuermittels zulassen. Man sagt, daß eine solche »Steuerschaltung« während des gegebenen Intervalls »ein«-geschaltet und außerhalb dieses Intervalls »aus«-geschaltet ist.

Für den Aufbau von Steuerschaltungen ist die Ausnutzung der fotoleitenden Eigenschaften von Halbleitervorrichtungen bereits bekannt, wobei die gesteuerte Belichtung das Steuermittel bildet. Es ist insbesondere bereits eine Wechselstrom-Steuerschaltung von jt-Form in Vorschlag gebracht worden, wobei jeder Nebenschluß weg eine Im-

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pedanz enthält. Diese bekannte Steuerschaltung ist auf eine Halbwellenübertragung beschränkt.

Die Erfindung ermöglicht demgegenüber eine Vollwellenübertragung mit einer entsprechend weitreichenden Unterscheidung zwischen Ein- und Ausschaltung.

Erfindungsgemäß dient dazu eine lichtempfindliche Halbleitervorrichtung mit einer mittleren Zone des einen Leitfähigkeitstyps und zwei ίο anschließenden Zonen von dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in solcher Anordnung, daß der Stromdurchgang in jeder Richtung bei Dunkelheit verhindert, bei Belichtung dagegen ermöglicht ist; die Halbleitervorrichtung ist dabei zwischen einer der Eingangs- und einer der Ausgangsklemmen angeschlossen, während die zweite Eingangsklemme mit der zweiten Ausgangsklemme in Verbindung steht, und außerdem sind Mittel vorgesehen, welche eine steuerbare Belichtung der Halbleitervorrichtung ermöglichen.

Eine Halbleiterübertragungseinrichtung des Verbindungstyps, die aus aneinander angrenzenden Gebieten aus Material mit P- und N-Leitfähigkeit besteht, zeigt lichtempfindliche Effekte unter dem Einfluß von Licht. Die Lichtabsorption ändert bei einer solchen Übertragungseinrichtung mit Ohmschen Anschlüssen an allen Zonen die Energieniveaus innerhalb des Körpers, wodurch der Fluß der Ladungsträger zwischen den Klemmen erhöht wird. Somit ändert das Licht die effektive Impedanz des Körpers und übt eine Steuerwirkung auf den Strom zwischen den Klemmen aus.

In ihrer weiteren Ausbildung empfiehlt die Erfindung, daß die Impedanz in wenigstens einem der Nebenschlußwege aus einer lichtempfindlichen Halbleitervorrichtung besteht, in solcher Anordnung, daß der Stromdurchgang in jeder Richtung bei Dunkelheit verhindert, bei Belichtung dagegen ermöglicht ist, und daß Mittel vorgesehen sind, welche jede im Nebenschluß liegende Halbleitervorrichtung belichten, wenn die zwischen der einen Eingangs- und der einen Ausgangsklemme angeschlossene Halbleitervorrichtung dunkel ist.

Bei der letztgenannten Ausführung wird die Steuerung durch abwechselndes Belichten der unterschiedlich angeschlossenen lichtempfindlichen Vorrichtungen mit Hilfe von getrennt gesteuerten Lichtquellen erzielt. Die Steuerung ist »aus«- geschaltet, wenn die Reihenfotozelle zwischen der einen Eingangs- und der einen Ausgangsklemme angeschlossenen Vorrichtung dunkel und die im Nebenschluß liegende Vorrichtung belichtet ist; die »Ein«-Schaltung besteht im umgekehrten Fall.

Diese spezielle Ausführung ergibt eine besonders große »Ein-Ause-Unterscheidung.

Die Erfindung soll im Zusammenhang mit den Zeichnungen noch näher erläutert werden: Erklärungen der Zeichnungen. Fig. ι zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, teilweise in perspektivischer Ansicht und teilweise als Schaltschema;

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die Arbeitsweise der Einrichtung in Fig. ι zeigt;

i§· 3> 3 A ^un(i 4 zeigen in ähnlicher Form wie Fig. ι andere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

In Fig. ι ist schematisch eine Schaltung in π-Form mit den Eingangsklemmen 11 und 12 und den Ausgangsklemmen 13 und 14 dargestellt. Die zu steuernden Wechselsignale werden den Eingangsklemmen, wie angegeben, zugeführt. Eine zur Aufnahme der gesteuerten Signale geeignete Belastung 15 ist an die Ausgangsklemmen angeschlossen. Der Kondensator 16 zeigt an, daß die in dieser Weise angeschaltete Belastung ein reines Wechselstromelement ist. Im Arbeitsteil der Schaltung sind die Widerstände R₁ und R₂ in den entsprechenden Parallelzweigen 19 und 20 dargestellt. Eine perspektivisch gezeichnete P-N-Verbindungs-Fotozelle 21 ist in einen Reihenzweig durch 0hmsche Zuführungen an den entsprechenden Leitfähigkeitsgebieten geschaltet. Im anderen Reihenzweig liegt eine Gleichstromquelle 22 mit solcher Polarität, daß die Fotozelle in Sperrichtung vorgespannt ist. Mit der Schaltung verbunden ist ein optisches System, das z. B. das natürliche Licht der Sonne benutzt, um die Fotozelle in Tätigkeit zu setzen. Ein solches System kann aus einer Zerstreuungseinrichtung 23 bestehen, um mit dem Licht den Fotoübertrager 21 flächenhaft auszuleuchten. Somit wird bei dieser speziellen Ausfüh- go rung die Steuerschaltung während des Tageslichtes »ein«-geschaltet und bei Nacht »aus«-geschaltet sein.

Ein besseres Verständnis der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 1 kann durch Fig. 2 erreicht werden. Auf Strom- und Spannungskoordinaten sind dort typische Kennlinien einer Verbindungs-Ubertragungseinrichtung gezeichnet. Wie angegeben, stellt die Kurve 31 die Abhängigkeit des Stroms von der Spannung für die Zelle im dunklen Zustand und die Kurve 32 für den belichteten Zustand dar. Die Belastungsgerade 33 ist entsprechend dem Reihenwiderstand (R₁ + R₂) im Fotozellenkreis und -der Vorspannungsquelle mit dem Wert E^₆ gezeichnet, der durch den Punkt 3 dargestellt ist. Bei einer speziellen Ausführung der Erfindung sind befriedigende Ergebnisse bei Verwendung von R₁ = R₂ = si 000 0hm erzielt worden. Wenn sich die Fotozelle im Dunkeln befindet, ist der Ruhearbeitspunkt des Fotozellenkreises durch Punkt 1 gegeben, wo die Belastungsgerade 33 die Dunkelstromkennlinie 31 schneidet. Bei der typischen Ausführung der Erfindung beträgt die Wechselstromimpedanz der Fotozelle für Spannungsabweiehungen um diesen Punkt bei kleinen Signalen etwa 10 Megohm. Unter diesen Umständen wird nur ein kleiner Bruchteil des Eingangssignals zum zweiten Parallelwiderstand 20 übertragen. Auf diese Weise ist die Steuerschaltung für die Übertragung eines Wechselstromsignals wirksam geschlosisen.

Wenn die Fotozelle genügend belichtet ist, bewegt sich der Ruhearbeitspunkt der Fotozellen-Schaltung zum Punkt 2 in der Figur, wo die Wechselstromimpedanz bei dieser typischen Ausführung etwa 100 0hm betragen kann. Hierdurch

wird die Reihenimpedanz im Verhältnis zur Parallelimpedanz der jr-Schaltung verringert und überträgt einen größeren Bruchteil des Eingangssignals zum zweiten Parallelwiderstand 20. Damit wird das aufgedrückte Signal über die wirksam geöffnete Steuerschaltung zur Wechselstrombela- , stung übertragen.

Wie angegeben, kann die Ausführung dier Fig. 1 mit Vorteil verwendet werden, um die Übertragung eines Weohselstromsignals während der Tagesstunden zu ermöglichen oder, bei Einbau geeigneter Blendenmittel in das optische Lichtsammelsystem, während «ines gewählten Teils der Tagesstunden.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung mit etwa ähnlichem Aufbau und ähnlicher Arbeitsweise, die eine weitere spezielle Ausführung der Erfindung darstellt.

Diese Schaltung, die grundsätzlich π-Form hat, benutzt zwei lichtempfindliche N-P-N-Verbindungseinrichtungen 41 und 42. Eine Gleichstromquelle zur Vorspannung in Sperrichtung ist hierdurch vermieden, da jede der beiden Verbindungen nur in einer Richtung leitend ist. Selbstverständlich sind auch P-N-P-Verbindungseinrichtungen in gleicher Weise in der Schaltung der Erfindung brauchbar. Eine Fotozelle 41 ist in einem Reihenzweig der Schaltung gezeichnet, während der andere Verbindungisfotoübertrager 42 in dem ersten Parallelzweig 43 erscheint. Im zweiten Parallelzweig 46 ist ein geeigneter Widerstand 44 gezeichnet und im Eingangsleiter 48 ein Eingangswiderstand 47. Ein Beliohtungskreis mit einer Gleichstromquelle 51 und den Lampen 52 und 53 ist mit einem Umschalter 54 ausgerüstet, so daß die Lampen getrennt und abwechselnd zum Leuchten gebracht werden können. Der Schalter 54 selbst kann vorteilhafterweise durch ein unabhängiges Mittel in Tätigkeit gesetzt werden. Die Schaltung arbeitet ähnlich wie diejenige der Fig. 1, ermöglicht jedoch einen höheren Grad der Unterscheidung zwischen dem Ein- und Aus-Zustand der Steuerschaltung. So ist die Steuerschaltung wirksam geschlossen, wenn die Reihenzelle 41 dunkel und die Parallelzelle 42 belichtet ist. Umgekehrt wird, wenn die Reihenzelle 41 belichtet und die Parallelzelle 42 dunkel ist, ein beträchtlicher Bruchteil des Eingangssignals zu dem Widerstand 44 sowie über die Ausgangsklemmen 56 und 57 zur Wechselstrombelastungseinricbtung 55 übertragen. Die spezielle Ausführung der Fig. 3 kann dadurch abgewandelt werden, daß man den rechts von den Punkten x, y liegenden Teil der Schaltung durch die Teilschaltung gemäß Fig. 3 A ersetzt, welche eine zusätzliche lichtempfindliche Einheit 59 enthält. Diese zusätzliche Fotozelle 59 würde dann durch die Lichtquelle 58 belichtet werden, welche parallel zur Lichtquelle 53 geschaltet ist, und eine weitere Verbesserung der »Ein«- und »Aus.«- Unterscheidung der Steuerschaltung ermöglichen.

Fig. 4 stellt eine weitere spezielle Ausführung

dar, bei der die Merkmale der Erfindung benutzt \verden können. Allgemein und in vereinfachter Form dargestellt, ist sie eine Blendenanordnung der Art, wie sie gewöhnlich als Kartenübertrager bezeichnet wird.

Wenn audh nur zwei Steuerschaltungen dargestellt sind, die jeweils eine einzige Fotozelle in einer Linie mit einem einzigen Lichtkanal des Übertragers enthalten, so ist die Figur doch so zu verstehen, daß jeweils eine getrennte Verbindungsfotozelle mit zugehöriger Steuerschaltung zur Betätigung durch jeden einzelnen Lichtkanal angeordnet ist. Es ist eine Lichtquelle 61 dargestellt, die eine so große Intensität hat, daß Fotozellen, die ihr Lioht von dort empfangen, nichtig erregt werden. Ein optisches Fokussierungs- und Sammelsystem ist in allgemeiner Weise durch die Linse 62 angedeutet, die die Fläche der Übertrageranordnung 63, welche eine Gruppe von in besonderer Weise perforierten Stahlkarten 64 enthält, durch ein paralleles Licbtbündel ausleuchtet. Gegenüber der Übertrageranordnung sind zwei Verbindungs-Halbleiterfotozellen 65 und 66 dargestellt. Die Steuerschaltungen 67 und 68 haben die allgemeine π-Form mit einer einzigen Eingangsquelle von einem Wechselstromtongenerator 80. Unter Abänderung der Schaltung nach Fig. 1 sind die Gleichstromvorspannungsquellen 69 und 70 zwischen den Mittelpunkten der entsprechenden go Parallelzweige 71 und 72 bzw. 73 und 74 angeschlossen dargestellt, wodurch das Wechselstrom-Siignal von den Gleichstromquellen ferngehalten wird. Es ist klar, daß bei Anwendung einer andersartigen Anordnung eine einzige Gleichstomquelle für alle Steuerschaltungen genügen kann.

Beim Betrieb dieser Ausführung läßt eine spezielle Anordnung der Karten 64, die durch' nicht dargestellte elektrisch-mechanische Mittel hergestellt wird, den Kanal 75 entstehen, der die Zelle 66 belichtet. Darauf geht die zu dieser Fotozelle gehörige Steuerschaltung 67 in den »Ein«-Zustand über und überträgt das Tonsignal auf eine getrennte, nicht aufgezeichnete Belastungseinrichtung. Unter den Vorteilen, die bei Verwendung dieser neuartigen Steuerschaltung in dieser speziellen Ausführung gegenüber den bisherigen Gleichstrom-Fotozellensteuerschaltuingen erzielt werden, befindet sich die Tatsache, daß kein mechanischer Lichtzerhacker in Verbindung mit der Lichtquelle benötigt wird, um Wechselstromausgangs signale zu erzeugen.

Wenn auch die Erfindung .an Hand besonderer Schaltungsfarmen und Elemente beschrieben wurde, so wird es doch dem mit dem Stand der Technik vertrauten Fachmann klar sein, daß verschiedene Abänderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Ziel der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann die π-Form mit einem lichtempfindlichen Element in beiden Reihen- 12c zweigen oder in einem Reihenzweig und beiden Parallelzweigen verwendet werden.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   i. Wechselstrom-Steuerschaltung von π-Form, wobei jeder Nebenschlußweg eine Impedanz

   enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine lichtempfindliche Halbleitervorrichtung mit einer mittleren Zone des einen Leitfähigkeitstyps und zwei anschließenden Zonen von dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, sowie in solcher Anordnung, daß der Stromdurchgang in jeder Richtung bei Dunkelheit verhindert, bei Belichtung dagegen ermöglicht ist, zwischen einer der Eingangs- und einer der Ausgangsklemmen angeschlossen ist, während die zweite Eingangsklemme mit der zweiten Ausgangsklemme in Verbindung steht, und daß Mittel vorgesehen sind, welche eine steuerbare Belichtung der Halbleitervorrichtung ermöglichen.
2. 2. Steuerschaltung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz in wenigstens einem der Nebenschluß wege aus einer lichtempfindlichen Halbleitervorrichtung besteht, in solcher Anordnung, daß der Stromdurchgang in jeder Richtung bei Dunkelheit verhindert, bei Belichtung dagegen ermöglicht ist, und daß Mittel vorgesehen sind, welche jede im Nebenschluß liegende Halbleitervorrichtung belichten, wenn die zwischen der einen Eingangs- und der einen Ausgangsklemme angeschlossene Halbleitervorrichtung dunkel ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   USA.-Patentschriften Nr. 2582850, 2641 712, 641 713, 2 560 606, 2 504 628, 2 543 039;

   »Proceedings of the Institute of Radio Engineers«, 1952 (40), II, S. 1559 bis 1562.

   Hierzu τ Blatt Zeichnungen