DE974050C - Nichtlinearer Widerstand - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 25. AUGUST 1960

S 239 VIII c j 21g

Nichtlinearer Widerstand

Gegenstand des Hauptpatents ist ein regelbarer Widerstand, dessen Regelung durch eine Steuerspannung erfolgt, mit einem stromführenden festen Körper, bestehend aus einem Halbleiterstoff oder einem anderen Stoff, bei dem an denjenigen Stellen, die mit einem geeigneten Metall kontaktiert sind, Sperrschichten auftreten und bei dem der feste Körper außer mit den beiden stromführenden Anschlußelektroden mit einer eine Sperrschicht bildenden Elektrode so versehen ist, daß bei Anlegung einer S teuer spannung an diese Elektrode die Sperrschicht erweitert bzw. verengt wird und dadurch eine in ihrer Öffnungsweite von der angelegten Steuerspannung abhängige Sperrschichtblende in dem zu regelnden Strompfad entsteht. In der Beschreibung des Hauptpatents sind verschiedene Ausführungsbeispiele des genannten regelbaren Widerstandes angegeben. Es sei insoweit und auch im übrigen auf die Beschreibung des Hauptpatents Bezug genommen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe der Sperrschichtblende die Widerstandskennlinie, z. B. zur Herbeiführung einer Sättigungskennlinie, zu beeinflussen, so daß man eine Anordnung mit nichtlinearem Widerstand erhält, die für manche Anwendungszwecke vorteilhaft bzw. notwendig ist. Zur näheren Erläuterung sei auf die Zeichnung Bezug genommen. Es zeigen

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Fig. ι und 2 ein Ausführungsbeispiel des regelbaren Widerstandes nach dem Hauptpatent in zwei verschiedenen Schnitten nach der Linie I-I bzw. nach der Linie II-II der Fig. 2 bzw. der Fig. 1, Fig. 3 eine der möglichen Sättigungskennlinien, Fig. 4 das erste Ausführungsbeispiel der neuen Erfindung,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel, Fig. 6 eine zur Ausführung nach Fig. 5 gehörende Kennlinienschar.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei an Hand der Fig. 1 und 2, die im wesentlichen den Fig. 4 und S des Hauptpatents entsprechen, nochmals kurz auf den regelbaren Widerstand nach dem Hauptpatent eingegangen. In Fig. ι und 2 ist mit 1 die z. B. aus Selen bestehende Halbleiterschicht, mit 2 die eine, mit 3 die zweite Anschluß elektrode für den zu regelnden Strompfad bezeichnet. Die Sperrschichtblende ist durch die sperrschichtbildende Blendenelektrode 4 und den Strompfad ι α gebildet. Die Stärke des Spaltes in der Blendenelektrode 4 ist so gewählt, daß sie nur wenige Vielfache der Stärke der entstehenden Sperrschicht oder weniger beträgt. Die Blendenelektrode 4 ist auf der Oberseite und Unterseite gegen den eigentlichen Widerstandskörper, d. h. gegen die Halbleiterschicht 1, durch die Schichten 5. die z. B. aus Lack oder einer Papierauflage bestehen können, isoliert. Zur Erläuterung sei angenommen, daß entsprechend der in Fig. 1 eingezeichneten Schaltung die Anschlußelektrode 2 das Potential 0 aufweist und daß der Anschlußelektrode 3 mit Hilfe der Batterie 6 das Potential + 1V aufgedrückt und der Blendenelektrode mit Hilfe der Batterie 7 und des Potentiometers 8 und des \^orwiderstandes 9 ein Potential aufgedrückt wird, das größer als iV ist, z. B. 8 V betrage. Alsdann bildet sich, da die Sperrschichtblende, d. h. ihre Blendenelektrode 4, ein positives Potential gegenüber beiden Anschlußelektroden 2 und 3 besitzt, eine Sperrschicht in dem Strompfad τα aus, die den elektrischen Durchtrittsquerschnitt dieses Strompfades einengt. Es tritt die angestrebte Blendenwirkung ein, die »Blendenöffnung« ist abhängig von dem Potentialunterschied zwischen der Blendenelektrode 4 und den Anschlußelektroden 2 und 3 und kann somit durch Änderung dieses Potentialunterschiedes — in der dargestellten Schaltung durch Verstellung des Potentiometers 8 — geändert werden. Der für die Blendenöffnung maßgebende Potentialunterschied, bezogen auf die eine oder die andere Anschlußelektrode, sei im folgenden als S teuer spannung bezeichnet.

Eine vorteilhafte Lösung der obenerwähnten Aufgabe unter Verwendung eines solchen regelbaren Widerstandes mit einer Sperrschichtblende nach dem Hauptpatent besteht nun erfindungsgemäß darin, daß das Potential der Sperrschichtblende — z. B. durch eine Kurzschluß verbindung oder durch andere Kopplungsglieder ·— in Zusammenhand gebracht ist mit dem Potential der einen Anschlußelektrode für den zu regelnden Strompfad im Sinne der Beeinflussung der Widerstandskennlinie, z. B. zur Herbeiführung einer Sätti- gungskennlinie.

Insbesondere ist eine Sättigungskennlinie für viele technische Zwecke wünschenswert. So kommt es z. B. in der Fernsprechtechnik mit Wählerbetrieb darauf an, bestimmte Stromkreise so auszubilden, daß sie Gleichströme nur bis zu einem bestimmten Grenzwert durchlassen und hierbei den überlagerten kleinen Wechselspannungen einen hohen Widerstandswert entgegensetzen. Für diese und ähnliche Zwecke wird ein Widerstand benötigt, der eine Sättigungskennlinie, etwa nach Fig. 3, aufweist. Wie dieser Darstellung zu entnehmen ist, bedeutet die Sättigungskennlinie eines Widerstandselementes, daß die an diesem Element auftretende Stromstärke nicht in dem gleichen Maße steigt wie die angelegte Spannung. Mit anderen Worten, der Widerstand des Elementes bleibt nicht gleich groß, sondern er wird mit steigender Spannung größer.

Fig. 4 veranschaulicht die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel, das durch eine sehr einfache Schaltung dem Widerstandselement nach dem Hauptpatent eine .Sättigungskennlinie gemäß Fig. 3 gibt. Hinsichtlich des eigentlichen Widerstandes stimmt die Ausführung nach Fig. 4 mit der nach Fig. ι und 2 überein. Es sind demgemäß für die einander entsprechenden Teile der Ausführung nach Fig. 4 und der nach Fig. 1 und 2 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die Anschlußelektrode 3 ist durch die Kurzschluß verbindung 10 mit der Blendenelektrode 4 der Sperrschichtblende elektrisch verbunden. Im übrigen sind die beiden Anschlußelektroden 2 und 3 an einem Potentiometer 11 angeschlossen, das seinerseits an einer Batterie 12 liegt. Die Kurzschluß verbindung 10 zwischen der Blendenelektrode 4 und der Anschlußelektrode 3 kann bereits bei der Fertigung als Bestandteil des eigentlichen Widerstandselementes hergestellt werden. Dieses läßt sich z. B. in der Weise durchführen, daß die Anschlußelektrode 3 auf ihrer Unterseite in unmittelbaren metallischen Kontakt mit der Oberseite der Blendenelektrode 4 gebracht wird, so daß gleichsam die Anschlußelektrode 3 und die Blendenelektrode 4 zu einem gemeinsamen Bauteil zusammengefaßt werden. Statt dessen kann man auch die Anschlußelektrode 3 ganz fortfallen lassen und der Sperrelektrode 4, die alsdann an ihrer Oberseite vorzugsweise nicht isoliert, die Aufgabe der Anschlußelektrode 3 mit übertragen.

Die Wirkungsweise der Ausführung nach Fig. 4 ist folgende:

Steht der Abgriff 11 α des Potentiometers 11 in der Nähe des Minuspols, dann haben die Blendenelektrode 4 und die Anschluß elektrode 3 nur einen geringen positiven Potentialunterschied gegenüber der Anschlußelektrode 2, z. B. nur das Potential α entsprechend dem Schaubild der Fig. 3. Die Sperrschichtblende ist dann, wie aus den obigen Erläuterungen hervorgeht, nur wenig geschlossen. Der Widerstand zwischen den Elektroden 2 und 3 ist somit klein, es fließt ein Gleichstrom von der

Größe I₁ (s. Fig. 3). Wird nun der Abgriff 11 α des Potentiometers 11 in die Nähe des Pluspols gebracht, dann erhalten die Bodenelektrode 4 und die Anschlußelektrode 3 ein größeres Potential gegenüber der Anschlußelektrode 2, z. B. das Potential b entsprechend dem Schaubild der Fig. 3. Das hat zur Folge, daß die öffnung der Sperrschichtblende sich stark verkleinert und damit der Widerstand zwischen den Anschlußelektroden 2 und 3 sich entsprechend vergrößert. Wäre diese Wirkung nicht eingetreten, dann würde der Strom infolge des höheren positiven Potentials die Größe I₂ angenommen haben, entsprechend der bei gewöhnlichen Widerständen gegebenen geradlinigen Kennlinie. Durch die Wirkung der Sperrschichtblende hat der Strom aber nur den Wert I₂ angenommen. Die Ausführung nach Fig. 4 stellt also ein Widerstandselement dar, das eine Sättigungskennlinie entsprechend der Kurve k der Fig. 3 aufweist.

ao Die Ausführung nach Fig. 4 setzt bei hoher Gleichstrombelastung, wie sie zuletzt betrachtet war, überlagerten kleinen Wechselspannungen einen hohen Widerstandswert entgegen, was im folgenden noch erläutert werden möge. In Fig. 3 ist von dem höheren Potential b aus in Richtung der Spannungsachse nach beiden Seiten hin ein Potentialintervall c-c eingezeichnet, das die Spitze einer kleinen überlagerten Wechselspannung darstellen soll, die um das Gleichspannungspotential b pendelt. Da dann der Strom bei Potentialänderungen der Kennlinienkurve k folgt, hat der überlagerte Wechselstrom bei dem Gleichspannungspotential b die Größe Iw. Wie man sieht, spielen sich diese Vorgänge auf dem flachen Ast der Sättigungskennlinie ab. Infolgedessen rufen die überlagerten Wechselspannungen nur eine geringe Wirkung hervor. Die auf sie zurückgehende Wechselstromkomponente des Gleichstromes bleibt sehr klein. Mit anderen Worten, in dem betrachteten Teil der Kennlinie ist der Wechselstromwiderstand des Widerstandselementes nach Fig. 4 sehr groß.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 unterscheidet sich von dem nach Fig. 4 nur dadurch, daß die Kurzschlußverbindung 10 durch ein Potentiometer 13 mit einer Batterie 14 ersetzt ist. Der Potentiometerabgriff ist mit 13 a bezeichnet. Diese Anordnung ermöglicht es, das an der Blendenelektrode 4 der Sperrschichtblende liegende Potential gegenüber dem Potential der Anschlußelektrode 3 auf beliebige Werte innerhalb der gegebenen Grenzen einzustellen. Dies bedeutet, daß man mit dieser Anordnung in der Lage ist, durch entsprechende Einstellung des Abgriffs 13 a das Widerstandselement nach Fig. 5 auf verschiedene Sättigungskennlinien, z. B. auf die Kennlinien k_v k₂, k₃ des Schaubildes nach Fig. 6, einzustellen. Im übrigen ist die Wirkungsweise die gleiche wie die der Fig. 4.

In der Zeichnung ist der Anschaulichkeit halber bei den Ausführungen nach Fig. 1 und 2 und ebenso bei denen nach Fig. 4 und 5 ein Potentiometer 8 bzw. 11 mit einer Batterie/ bzw. 12 dargestellt. In der Regel werden jedoch die betreffenden Spannungen nicht von einem Potentiometer abgegriffen, vielmehr wird im allgemeinen das neue Widerstandselement in bestimmte Stromkreise gelegt, so daß die in diesen Stromkreisen auf das neue Widerstandselement entfallenden Teilspannungen die von den genannten Potentiometern 8 bzw. 11 abgegriffenen Spannungen ersetzen.

Die bisher angegebenen Schaltungen nach Fig. 4 und 5 ergeben die gewünschte Beeinflussung der Widerstandskennlinie, z. B. im Sinne der Herbeiführung einer Sättigungskennlinie, nur in der einen Stromrichtung. Dies bedeutet, daß ein solches Widerstandselement bei Anlegung einer Wechselspannung eine Gleichrichterwirkung ergibt. Dadurch ergibt sich eine weitere Verwendungsmöglichkeit für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Es besteht jedoch die Möglichkeit, mit Hilfe des neuen Widerstandselementes auch Anordnungen zu treffen, bei denen die oben beschriebene Beeinflussung der Widerstandskennlinie in beiden Stromrichtungen auftritt. Dies kann dann von Interesse sein, wenn der das Widerstandselement durchfließende Gleichstrom nicht stets die gleiche Richtung hat. Ferner kann es von Bedeutung sein, wenn das neue Widerstandselement in Wechselstromkreisen Verwendung finden soll.

Fig. 7 zeigt eine Anordnung, bei der die Beeinflussung der Widerstandskennlinie in beiden Stromrichtungen auftritt. In Fig. 7 ist 15 die z. B. aus Selen bestehende Halbleiterschicht, 16 die eine und 17 die andere Anschlußelektrode. 18 und 19 sind zwei in der Halbleiterschicht hintereinander angeordnete Blendenelektroden mit dem von ihnen gesteuerten Strompfad 15 a und 15 b. Beide Blendenelektroden sind auf der Ober- und Unterseite gegen die Halbleiterschicht 15 isoliert, z. B. durch eine Lackschicht oder eine Papierschicht. Die Blendenelektrode 18 ist durch die Kurzschluß verbindung 20 mit der Anschlußelektrode 16 und entsprechend ist die Blendenelektrode 19 durch die Kurzschlußverbindung 21 mit der Anschlußelektrode 17 verbunden. Über die Zuleitungen 22 und 23 wird das Widerstandselement nach Fig. 7 in den zu beeinflussenden Stromkreis gelegt.

Nach den obigen Erläuterungen ist leicht zu übersehen, daß bei Anlegung von Spannung in der einen Richtung die Sperrschichtblende 18, 15 a und bei Anlegung von Spannung in der anderen Richtung die Sperrschichtblende 19, 15 b die oben näher beschriebene Beeinflussung der Widerstandskennlinie hervorruft. Die Widerstandskennlinie des in Fig. 7 dargestellten Widerstandselementes weicht somit in beiden Stromrichtungen von der sonst gegebenen linearen Kennlinie ab. '

Die mit der Ausführung nach Fig. 7 hervorgerufene Wirkung kann auch dadurch herbeigeführt werden, daß zwei Widerstandselemente nach Fig. 4 und/oder 5 in Reihe geschaltet werden, und zwar gegensinnig mit Bezug auf die mit der Sperrschichtblende elektrisch verbundenen Anschlußelektroden.

In Fig. 8 sind die beiden Widerstandselemente mit 24 und 25 bezeichnet. 24 a und 25 a sind die Kurzschlußverbindungen entsprechend der Ausführung nach Fig. 4. 26 und 27 sind die Anschlußleitungen, mit denen die Anordnung in den zu beeinflussenden Stromkreis gelegt wird.

Werden bei der Anordnung nach Fig. 8 für die beiden in Reihe liegenden Widerstandselemente verschiedene Kennlinien eingestellt, was z. B. durch Verwendung eines oder zweier Widerstandselemente nach Fig. 5 möglich ist, so weist eine solche Anordnung einmal für beide Stromrichtungen eine von der geradlinigen Kennlinie abweichende Kennlinie und ferner zugleich auch eine Gleichrichterwirkung auf.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Nichtlineare Widerstandsanordnung unter Verwendung eines regelbaren Widerstandes mit einer Sperrschichtblende in dem zu regelnden Strompfad, nach Patent 973 206, dadurch ge kennzeichnet, daß das Potential der Sperrschichtblende ■—■ z. B. durch eine Kurzschlußverbindung oder durch andere Kopplungsglieder — in Zusammenhang gebracht ist mit dem Potential der einen Anschluß elektrode für den zu regelnden Strompfad im Sinne der Beeinflussung der Widerstandskennlinie, z. B. zur Herbeiführung einer Sättigungskennlinie.
2. 2. Anordnung nach.Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Beeinflussung der Widerstandskennlinie in beiden Stromrichtungen vorgesehen sind.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, insbesondere zur Anlegung einer Wechselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur ersten noch eine zweite Sperrschichtblende in dem Stromfeld liegt und daß das Potential der einen Sperrschichtblende mit der einen Anschlußelektrode und das Potential der anderen Sperrschichtblende mit der zweiten Anschlußelektrode, z. B. je über eine Kurzschlußverbindung, verknüpft ist, so daß die Beeinflussung der Widerstandskennlinie in beiden Stromrichtungen erfolgt.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Reihenschaltung zweier an sich getrennter Einheiten besteht, deren jede aus einem Widerstand mit einer Sperrschichtblende gebildet ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 009 582/23 8.60