DE1044165B

DE1044165B - Lichtelektrische bistabile Kippschaltung

Info

Publication number: DE1044165B
Application number: DEI12893A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Arno Schulz
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1957-02-27
Filing date: 1957-02-27
Publication date: 1958-11-20

Description

DEUTSCHES

Unter einer bistabilen Kippschaltung oder Flip-Flop-Schaltung wird eine Kippschaltung mit zwei stabilen Betriebszuständen, die wahlweise durch einen von außen eingeleiteten Steuervorgang umgeschaltet werden können, verstanden. Jedes Umkippen von dem einen in den anderen stabilen Zustand läßt sich dabei durch einen Impuls auslösen. Als Bauelemente werden bei den bekannten bistabilen Kippschaltungen Elektronenröhren oder gasgefüllte Entladungsröhren oder Transistoren oder Ferritkerne benutzt. Das Grundprinzip dieser bistabilen Kippschaltungen geht auf die von E c el es und Jordan angegebene Zweiröhren-Schaltung zurück, die bei geeigneter Dimensionierung ebenfalls zwei stabile Betriebszustände aufweist, derart, daß ζ. B. im ersten Betriebszustand die »eine« Hälfte des Zweiröhrensystems Strom, führt und dabei gleichzeitig eine Sperrung der »anderen« Hälfte des Zweiröhrensystems bewirkt. Im zweiten Betriebszustand liegen die Verhältnisse gerade umgekehrt, indem die »andere« Hälfte Strom führt und damit eine Sperrung der »einen« Hälfte des Zweiröhrensystems herbeiführt. Der Kippvorgang, d. h. das Umkippen zwischen den beiden Betriebszuständen, wird bei den bekannten bistabilen Röhrenkippschaltungen durch geeignete, den Anoden oder den Gittern oder der Kathode aufgeprägte Impulse eingeleitet. Die bistabile Kippschaltung findet in der Elektronik, insbesondere in der elektronischen Schaltkreistecihnik, vielseitige Verwendung, z. B. zur Erzeugung von Rechteckspannungen oder als Speicherelement oder als Zählschaltung oder als Impulsuntersetzer. In besonderem Maße wird die bistabile Kippschaltung für elektronische Rechenmaschinen gebraucht.

Die bekannte bistabile Zweiröhren-Kippschaltung besteht meist aus zwei einander gleichen und durch Spannungsteiler und Kopplungskondensatoren miteinander verkoppelten Röhren (FKp-Flop-Hälften). Die Anode der ersten Röhre ist dabei mit dem Gitter der zweiten Röhre und die Anode der zweiten Röhre mit dem Gitter der ersten Röhre gekoppelt.

Es ist ferner bereits bekanntgeworden, in einer bistabilen Zweiröhren-Kippschaltung an Stelle des Koppelwiderstandes oder in Reihe mit dem Koppelwiderstand oder an Stelle des Gitterableitewiderstandes oder parallel zu diesem eine Fotozelle zu schalten. Damit kann der Kippkreis durch Beleuchtungsschwankungen zum Kippen gebracht werden. Die Fotozelle wirkt dabei als Widerstand, der seinen Wert mit der auftreffenden Beleuchtungsstärke ändert. Mit der Weiterbildung der lichtelektrischen bistabilen Kippschaltung befaßt sich die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe.

Für eine lichtelektrische bistabile Kippschaltung besteht danach die Erfindung darin, daß in beiden Lichtelektrische bistabile Kippschaltung

Anmelder:

IBM Deutschland

Internationale Büro-Maschinen

Gesellschaft m.b.H.,
Sindelfingen (Württ), Tübinger Allee 49

Dr.-Ing. Arno Schulz, Sindelfingen (Württ.),
ist als Erfinder genannt worden

Flip-Flop-Hälften je eine gasgefüllte, in selbständigem Arbeitsgebiet wirksame Fotozelle angeordnet ist, deren Elektrode variablen Potentials mit der jeweiligen anderen gekoppelt ist und die in diesem Arbeitsgebiet durch die Strahlung steuerbar ist, so daß bei Wegnahme der Strahlung die Wirkung eines Speichers eintritt, der bei der Umschaltung in den anderen Betriebszustand der bistabilen Kippschaltung gelöscht wird.

An die Stelle einer oder beider Elektronenröhren der bekannten bistabilen Zweiröhrenschaltung tritt erfmdungsgemäß eine gasgefüllte Fotozelle, die nicht, wie bisher mit den gebräuchlichen gasgefüllten Cäsiumoxyd-und Cäsiumantimonid-Fotozellen üblich, im unselbständigen Entladungsgebiet, sondern im selbständigen Entladungsgebiet betrieben wird, und zwar ermüdungsfrei, d. h. stabil, ohne daß der Fotostrom mit der Zeitdauer der Bestrahlung bzw. der selbständigen Entladung fortlaufend abnimmt. Die Speicherwirkung der bei der Erfindung verwendeten Fotozelle kann vorteilhaft durch Verlagerung des Arbeitspunktes aus dem selbständigen in den unselbständigen Entladungsbereich aufhebbar eingerichtet sein. Außerdem ist eine wahlweise Signalspeicherung durch Variation der Stabilisierungsimpedanz möglich.

Der Vorteil der bistabilen Kippschaltung besteht gegenüber den bekannten lichtelektrischen bistabilen Kippschaltungen in einer wesentlichen Vereinfachung der Schaltung und einer erheblichen Einsparung an Schaltungselementen.

Im selbständigen Entladungsgebiet lassen sich vorzugsweise solche gasgefüllten Fotozellen betreiben, die eine dünnschichtige Fotokathode aufweisen. Mit

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dünnschichtigen Kathoden bekommt man hohe Feldstärken in der Fotokathode, was wiederum zur Folge hat, daß man die in den Haftstellen gebundenen Ladungsträger ins Leitfähigkeitsband bekommt. Unter dünnschichtig wird hier verstanden, daß die Kathodenschicht mindestens um den Faktor 10 bis 100 dünner sein soll als bei den bekannten handelsüblichen gasgefüllten Casiumoxyd-Foto-zellen.

Als besonders vorteilhaft erweisen sich für die Erfindung gasgefüllte Fotozellen mit Kaliumhydridkathoden. Diese lassen sich ohne weiteres im selbständigen Entladungsgebiet betreiben, wenn ihre Kathode hinreichend dünnschichtig ist. Kaliumhydrid läßt sich sehr leicht dünnschichtig herstellen.

Um eine gasgefüllte Fotozelle im selbständigen Entladungsgebiet betreiben zu können, kann man erfindungsgemäß auch solche Fotozellen verwenden, bei denen zwischen Fotokathode und einer besonderen Hilfselektrode eine Vorentladung brennt. Die zwischen der Hilfselektrode und der Kathode brennende Entladung wird dann im Gebrauch auf den Entladungsraum zwischen Hauptanode und Fotokathode umgesteuert.

Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die in der bistabilen Kippschaltung nach der Erfindung benutzte Fotozelle einen besonders hohen Füllgasdruck aufweist und wenn dem Füllgas der Fotozelle vielatomige Dämpfe zugesetzt sind. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Füllgas der Fotozelle eine Gasbeimischung enthält, derart, daß die Anregungsspannung des Hauptgases größer ist als die Ionisierungsspannungen der Beimischungen. Es ist für die Zwecke der Erfindung auch vorteilhaft, wenn die verwendete gasgefüllte Fotozelle besonders große innere Elektrodenabstände aufweist.

Die Erfindung sei nachstehend an Hand der Zeichnungen für einige beispielsweise Ausführungsformen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einige Kennlinien der gasgefüllten Fotozelle, wie sie bei der Anordnung nach der Erfindung benutzt werden;

Fig. 2 zeigt die Schaltung einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 sind Strom-Spannungs-Kennlinien dargestellt, wie man sie an den bei der Erfindung benutzten gasgefüllten Fotozellen messen kann. Die obere Kurve in Fig. 1 gilt für den Fall, daß die Fotokathode der gasgefüllten Fotozelle nicht bestrahlt bzw. belichtet wird, d. h. wenn Φ = 0. Sie stimmt praktisch mit der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Glimmentladung tiberein. Für diese obere Kennlinie ist der Zündpunkt mit Z bezeichnet. Er liegt auf der Ordinatenachse, denn die Vorströme in einer gasgefüllten Fotozelle sind ohne Kathodenbestrahlung so gering, daß sie in einem linearen Maßstab nicht darzustellen sind.

Wird die Fotokathode dagegen mit einem Lichtstrom Φ bestrahlt, so kommt die untere Kennlinie (Φ > 0) zustande. Für die untere Kennlinie ist Z' der Ziindpunkt. Die Zündspannung ist also gesenkt worden und die Zündströme nach größeren Werten verschoben.

Schaltet man nun die gasgefüllte Fotozelle, deren Kennlinien in Fig. 1 gezeigt sind, in Reihe mit einem Stabilisierangswiderstand R_s an eine treibende Spannung U₀, so ergibt sich folgendes: Die in Fig. 1 mit eingezeichnete Widerstandsgerade dieses Widerstandes R_s schneidet die Strom-Spannungs-Charakteristik für den Fall der Bestrahlung der Fotokathode im Ptmkt A und für den Fall der Dunkelheit im Punkt B. Im Gebrauch der Schaltung ergibt sich folgender Funktionsablauf: Zunächst wird die gasgefüllte Fotozelle ohne Kathodenbelichtung an die treibende Spannung U₀ gelegt. Der sich dabei ergebende Arbeitspunkt ist U₀ auf der Ordinatenachse. Jetzt erfolgt die Bestrahlung der Fotokathode. Der neue Arbeitspunkt ist jetzt A auf der Strom-Spannungs-Kennlinie für Φ >0. Durch die gasgefüllte Fotozelle fließt ein Strom I₁. Nach ίο Wegnahme der Fotokathodenbelichtung bleibt eine selbständige Entladung mit dem Arbeitspunkt B bestehen. Es fließt jetzt durch die gasgefüllte Fotozelle der Strom i„.

Die in Fig. 2 dargestellte lichtelektrische Flip-Flop-Schaltung nach der Erfindung besteht aus den beiden gasgefüllten, im selbständigen Entladungsgebiet betriebsfähigen Fotozellen F₁ und F₂ mit den zugehörigen Stabilisierungswiderständen Ji₁ und i?₂ und dem Kondensator C.

Die beiden gasgefüllten Fotozellen F₁ und F₂ liegen in der Anordnung nach Fig. 2 an der gemeinsamen Gleichspannungsquelle U₀. Zur Stabilisierung der Glimmentladung dienen die Widerstände R₁ und R₉. Der Lichtgeber L tastet z. B. eine vorbeilaufende Lochkarte LK ab, derart, daß mit jeder durchlaufenden Lochung dieser Karte LK ein Lichtimpuls auf die Fotokathoden beider gasgefüllter Fotozellen F₁ und F₂ trifft. Dann wird zunächst infolge geringfügiger Abweichungen in der Höhe der Zündspannung in einer der beiden Fotozellen eine Glimmentladung zünden. Wir nehmen an, es sei dies die Fotozelle F₁. Die Anodenspannung dieser Zelle F₁ bricht dann bis auf die Brennspannung der Glimmentladung zusammen. Dies hat zur Folge, daß die Anode der Zelle F₂ infolge der Kapazität C kurzzeitig die gleiche Spannung annimmt, so daß die Fotozelle F₂ nicht zünden kann. Trifft nun der nächste Lichtimpuls (z. B. aus einer weiteren Lochung der Lochkarte LK) auf die beiden gasgefüllten Fotozellen F₁ und F₂, so wird die Fotozelle F₂ jetzt zünden, denn der Kondensator C ist jetzt aufgeladen, und an der Anode der Fotozelle F₂ liegt jetzt die volle Spannung U₀. Im Augenblick der Zündung von F₂ fließt vom Kondensator C über R₂ und R₁ ein Ausgleichstrom, der die Brennspannung der Zelle F₁ herunterdrückt und in dieser Fotozelle zur Löschung der selbständigen Entladung führt. Der nächste Lichtimpuls läßt dann wieder in F₁ eine Glimmentladung zünden. Würde man in die rechte Flip-Flop-Hälfte fainter R₂ und in Reihe mit R₂ ein Relais M einschalten, so würde, wie aus Vorstehendem hervorgeht, nur jeder zweite Lichtimpuls dieses Relais M zum Ansprechen bringen und würde z. B. einen Impulsübersetzer darstellen und eine Zählung der untersetzten Impulse bewirken. An Stelle dieses Relais M kann im Bedarfsfalle auch eine Glimmlampe treten, die parallel zur Fotozelle F₂ liegt und deren Betriebszustand anzeigt. Je nach Gebrauch und Anwendung der Schaltung nach Fig. 2 kann entweder im Punkt α ein Ausgangsimpuls I_a oder im Punkt b ein Ausgangsimpuls I_b entnommen werden.

In der Anordnung nach Fig. 3 sitzen die beiden Fotokathoden mit ihren Anoden der beiden Flip-Flop-Hälften in einem gemeinsamen Gefäß bzw. Röhrenkolben. Zwischen den beiden Röhrensystemen F₁, F₂ ist eine ionische Abschirmung N vorgesehen, die an Erde liegt. Im Bedarfsfalle kann den beiden Fotokathoden F₁, F₂ eine gemeinsame Anode zugeordnet sein.

Bei Verwendung in elektronischen Rechengeräten würde die Schaltung nach Fig. 1 oder 3 eine einzelne

Stufe der Zählkette darstellen. Man kann danach diese Zählstufe z. B. zu einer dekadischen Zählkette ausbauen. Dabei wäre es möglich, die Schaltung nach Fig. 2 oder 3 auf beispielsweise zehn gasgefüllten Fotozellen, die alle im selbständigen Entladungsgebiet betriebsfähig sind, zu erweitern. Diese zehn Fotozellen sind dann so nebeneinander anzuordnen, daß ihre Kathoden gemeinsam von denselben Lichtimpulsen getroffen werden. In diesem Falle wird man zweckmäßig von der Lichtquelle L ausgehende optische Leiter (Lichtleiter) verwenden, von denen je einer zu einer Fotozelle oder einer Fotozellenstufe führt.

Man kann sich auch darauf beschränken, nur die erste Flip-Flop-Stufe mit gasgefüllten und dem selbständigen Entladungsgebiet betriebsfähigen Fotozellen einzurichten und für die übrigen Flip-Flop-Kreise an sich bekannte Röhrenschaltungen oder Transistorschaltungen oder Magnetkernschaltungen zu benutzen. Dieser Fall ist in Fig. 3 behandelt, wo sich im Punkt b die aus den weiteren Flip-Flop-Kreisen aufgebaute Schaltung D anschließt. Der Funktionsablauf ist an sich der gleiche wie der einer Zählkette, die allein z. B. nur aus Eccles-Jordan-Schaltungen zusammengesetzt ist. Man kann ohne weiteres die Schaltung nach Fig. 3 auch auf mehrere Dekaden erweitern.

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtelektrische bistabile Kippschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Flip-Flop-Hälften je eine gasgefüllte, in selbständigem Arbeitsgebiet wirksame Fotozelle (F₁, F₂) angeordnet ist, deren Elektrode variablen Potentials mit der jeweiligen anderen gekoppelt ist und die in diesem Arbeitsgebiet durch die Strahlung steuerbar ist, so daß bei Wegnahme der Strahlung die Wirkung eines Speichers eintritt, der bei der Umschaltung in den anderen Betriebszustand der bistabilen Kippschaltung gelöscht wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umschaltung von dem einen in den anderen stabilen Betriebszustand beiden gasgefüllten Fotozellen (F₁, F₂) gleichzeitig Lichtimpulse aufgeprägt werden.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden der beiden gasgefüllten Fotozellen (F₁, F₀) durch einen Ladekondensator (C) miteinander verbunden sind.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherwirkung der im stromführenden Zustand befindlichen gasgefüllten Fotozelle (F₁, F₂) durch Verlagerung ihres Arbeitspunktes aus dem selbständigen Entladungsgebiet in den unselbständigen Entladungsbereich aufhebbar ist.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspeicherung der gasgefüllten Fotozelle (F₁, F₂) durch Änderung des Stabilisierungswiderstandes (R₁, R„) dieser Fotozelle (F₁, F₂) steuerbar ist.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung (U₀) der gasgefüllten Fotozelle (F₁, F₂) nur wenig kleiner ist als die Zündspannung (U₂) dieser Röhre im Falle nicht bestrahlter Fotokathode.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der gasgefüllten Fotozelle (F₁, F₂) zwischen Fotokathode und einer Hilfselektrode eine Vorentladung brennt.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gasgefüllte Fotozelle (F₁, F₂) eine dünnschichtige Fotokathode enthält.

9. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gasgefüllte Fotozelle (F₁, F₂) eine dünnschichtige Kaliumhydrid-Fotokathode enthält.

10. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine gasgefüllte Fotozelle (F₁, F₂) mit besonders großen inneren Widerständen.

11. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Fotozelle (F₁, F₂) mit besonders hohem Füllgasdruck.

12. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Fotozelle, deren Füllgas vielatomige Dämpfe zugesetzt sind.

13. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine gasgefüllte Fotozelle (F₁, F₂), deren Füllgas eine Beimischung enthält, derart, daß die Anregungsspannung des Hauptgases größer ist als die Ionisierungsspannungen der Beimischungen.

14. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotokathoden der beiden Flip-Flop-Hälften in einem gemeinsamen Röhrenkolben angeordnet sind.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Fotokathoden eine ionische Abschirmung vorgesehen ist.

16. Anordnung nach den Ansprüchen 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Fotokathoden eine gemeinsame Anode zugeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen