DE1096410B

DE1096410B - Schaltungsanordnung zur Erzeugung elektrischer Impulse unter Verwendung von als Doppelbasis-dioden (Unijunction-Transistoren) ausgefuehrten Halbleiteranordnungen

Info

Publication number: DE1096410B
Application number: DEG28386A
Authority: DE
Inventors: Tage Peter Sylvan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1958-11-19
Filing date: 1959-11-17
Publication date: 1961-01-05
Also published as: US2968770A; FR1241404A

Description

DEUTSCHES

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von elektrischen Impulsen unter Verwendung von als Doppelbasisdioden ausgeführten Halbleiteranordnungen, die auch unter dem Namen Unijunction-Transistor en bekannt sind. Transistoren dieser Art sind dreipolige Halbleiteranordnungen mit einer einzigen gleichrichtenden Verbindung, welche in der Mitte zwischen in Abständen auf beiden Seiten eines Halbleiterkristalls befestigten leitenden Elektroden angeordnet ist. Diese Transistoren haben eine teilweise negative Widerstandscharakteristik, die sie besonders zur Verwendung in Oszillatorkreisen geeignet macht. Anordnungen zur Schwingungserzeugung, bei denen solche Transistoren verwendet werden, sind bereits bekannt und beispielsweise in der USA.-Patentschrift 2 801 340 dargestellt und beschrieben. Sie haben bisher jedoch noch den Nachteil, daß eine stabile Arbeitsweise durch die von Fall zu Fall etwas unterschiedlichen Charakteristiken der Transistoren sehr gefährdet ist. Die Bemessung der Kreise ist daher sehr kritisch. Diese und andere Nachteile der bekannten Anordnung sollen durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung behoben werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, mit solchen Transistoren — nachfolgend stets als Doppelbasisdioden bezeichnet —■ bestückte Impuls-Oszillatorkreise herzustellen, welche verläßlich und stabil in ihrer Arbeitsweise sind und welche aus einem Minimum von Schaltungselementen aufgebaut sind.

In Weiterbildung der Erfindung wird die Oszillatorschaltung als mit Doppelbasisdioden bestückte Multivibratoren ausgebildet, bei denen die Impuls- und Pausendauer einer Periode über einen weiteren Bereich geändert werden kann als bei den bisher bekannten Anordnungen.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist zur Lösung dieser Aufgaben vorgeschlagen, wie in der obengenannten bekannten Anordnung ebenfalls die negative Basislektrode der Doppelbasisdiode über einen Kondensator und einen in Sperrichtung zum Basisstrom gepolten richtungsabhängigen Widerstand mit dem Emitter zu verbinden und letzteren über einen als Ladewiderstand für den Kondensator dienenden Widerstand mit dem Pluspol der Speisegleichspannung. Erfindungsgemäß ist jedoch in Abweichung von der bekannten Schaltung der Kondensator zwischen dem Emitter und dem richtungsabhängigen Widerstand in den Emitter-Basis-Kreis eingeschaltet und ein weiterer Widerstand vorgesehen, der einseitig am Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator und dem richtungsabhängigen Widerstand angeschlossen ist und über welchen die Vorspannung des richtungsabhängigen Widerstandes entweder selbsttätig von der Speisespannung her oder von einer Fremd-

Schaltungsanordnung
zur Erzeugung elektrischer Impulse
unter Verwendung von als Doppelbasis
dioden (Unijunction -Transistoren)
ausgeführten Halbleiteranordnungen

Anmelder:

General Electric Company,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. A. Schmidt, Patentanwalt,
Berlin-Grunewald, Hohenzollerndamm 150

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. November 1958

Tage Peter Sylvan, Syracuse, N. Y. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

spannung derart gesteuert wird, daß er abwechselnd leitend und nichtleitend ist.

Einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung sind nachfolgend näher beschrieben, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird, in welcher

Fig. 1 das Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Impuls-Oszillatorkreises zeigt;

Fig. 2 zeigt die Arbeitscharakteristik der in der An-Ordnung nach Fig. 1 verwendeten Halbleiteranordnung;

Fig. 3a bis 3e zeigen eine Anzahl von Diagrammen der Spannungen und Ströme an verschiedenen Punkten des Oszillatorkreises nach Fig. 1, und

Fig. 4 bis 7 schließlich zeigen andere Anwendungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.

Eine Doppelbasisdiode wie die in Fig. 1 mit 1 bezeichnete enthält einen quader- oder fadenförmig aussehenden Kristallkörper aus Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps, welcher vom n- oder p-Typ sein kann; zum Zwecke der Erläuterung wird angenommen, daß dieser Kristallkörper vom η-Typ ist. Auf den beiden Ends.eiten dieses Kristalls sind leitende oder ohmsche Kontakte befestigt, die im folgenden als Basis B₁ und Basis B₂ bezeichnet werden. In der Mitte zwischen den

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3 4

beiden Endseiten des Kristalls ist ein gleichrichtender In diesem Ausdruck ist mit U_B die Speisespannung Kontakt angebracht, der als Emitter E bezeichnet ist. der Batterie 4 bezeichnet, mit Iz der maximale Der gleichrichtende Kontakt wird auf vorteilhafte Weise Strom und mit Uz die maximale Spannung,
dadurch erhalten, daß man Fremdkörper des gegensätz- 2. Die Widerstandsgerade 7 (Fig. 2) des Widerstandes R₂ liehen p-Leitfähigkeitstyps in den η-Kristall einlegiert, 5 muß die Emittercharakteristik im Bereich negativen wodurch eine Zone gegensätzlichen Leitfähigkeitstyps in Widerstandes schneiden, d. h. im abfallenden Kurvendem η-Kristall geschaffen wird, die mit diesem eine ast zwischen ihrem Spitzenwert und dem Punkt P₁. gleichrichtende Verbindung bildet. Bei dieser Aus- Mathematisch ausgedrückt muß also folgende Beführungsart ist das negative Anschlußende der Doppel- dingung erfüllt sein:

basisdiode dasjenige Anschlußende, das in bezug auf das io jj jj

andere Anschlußende, welches hiermit das einseitig <i>- (2)

leitende Element bildet, negativ sein muß, um zu er- -"-2

reichen, daß der Strom von einem Anschlußende zum I_n diesem Ausdruck ist mit U₇ diejenige Spannung

anderen fließt. bezeichnet, die der Spannung im Punkt P₁ (Fig. 2)

Im folgenden wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen 15 entspricht, und mit I₇ der dieser Spannung ent-

und angenommen, daß über die Basiselektroden eine sprechende Strom.

Arbeitsspannung derart an die Doppelbasisdiode 1 gelegt Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1 wird ist, daß die Basis B₁ in bezug auf die Basis B₂ negativ ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 3a bis 3e der und. daß eine Spannung von allmählich ansteigender Zeichnung erläutert. Nimmt man an, daß der Emitter E Größe zwischen dem Emitter E und der Basis B₁ anliegt. 20 anfangs eine geringe negative Vorspannung besitzt, d. h., Im Normalfall ist zunächst die Vorspannung des Emit- die Doppelbasisdiode 1 ist nichtleitend, so wird sich der tersE umgekehrt gerichtet, so daß kein-wesentlicher Kondensator C über den Widerstand R₂ und die Diode 5 Strom vom Emitter E zur Basis B₁ fließen kann. Wenn aufladen, bis sein Potential dem der Speisespannung das Potential des Emitters E weiter ansteigt, wird der entspricht. Wenn das Potential am Emitter die Spanin dem Diagramm nach Fig. 2 mit U_z bezeichnete Punkt 25 nung U_z erreicht, wird die Doppelbasisdiode leitend, erreicht, bei dem der Emitter positiv wird in bezug auf Über den Widerstand R₂ wird dann ein Strom zum das Potential, welches im η-Kristall in der Umgebung Emitter fließen und von da weiter durch den Kristall des Emitters herrscht. Bei Erreichen dieses Punktes _ZUr Basiselektrode B₁. Der Strom wird aus den obenbeginnt ein Strom vom Emitter E zur Basis B₁ zu erwähnten Gründen anwachsen, und die Spannung fließen. Der Stromfluß in dem Teil des n-Kristalls 30 zwischen dem Emitter E und der Basiselektrode S₁ wird zwischen dem Emitter E und der Basis B₁ bewirkt im dabei abfallen bis zum Schnittpunkt P₂ der Widerstands-Kristall eine Verringerung seines Widerstandes, so daß geraden 7. Die Spannung Ub₂ an der Basiselektrode B₂ dadurch ein weiteres Ansteigen des Stromes erfolgt, was wird dabei auf den im Diagramm nach Fig. 3 a darwiederum eine noch weitere Verminderung des Widerstan- gestellten Minimalwert 8 abfällen. Die Spannung U_D am des bewirkt. Demzufolge ist zu sehen, daß die angelegte 35 Verbindungspunkt des Kondensators C mit der Diode 5 Spannung, die zwischen Emitter und Basis B₁ erforderlich fällt auf einen Wert zurück, der in dem Diagramm nach ist, um einen bestimmten Strom aufrechtzuerhalten, Fig. 3 b mit 9 bezeichnet ist. Hierbei wird der leitende immer geringer wird, bis ein Punkt P₁ erreicht wird, bei Zustand der Diode 5 in den nichtleitenden Zustand überweichem eine weitere Zunahme des Stromes keine weitere geführt. Anschließend lädt sich der Kondensator C über Verminderung des Widerstandes mehr bewirkt. Hinter ₄₀ den Widerstand R₁ auf das Potential des Anschlußdiesem Punkt bewirkt ein Ansteigen der Spannung eine punktes 2 auf, bis der Punkt 10 des Diagramms nach Vergrößerung des Stromes. Fig. 3 b erreicht ist und wo zu diesem Zeitpunkt die

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist der Diode 5 wieder leitend wird, wobei sie dem im Emitter Emitter E der Doppelbasisdiode über einen Ladewider- fließenden Strom den Kondensator parallel schaltet. Da stand R₂ mit dem Pluspol 2 und die Basiselektrode B₁ 45 die Impedanz des Emitter-Basis-Kreises der Doppeldirekt mit dem Minuspol 3 einer Gleichspannungsquelle 4 basisdiode vom Strom abhängig ist, kehrt sie als Folge verbunden. Die Basiselektrode B₂ der Doppelbasisdiode der Parallelschaltung des Kondensators sehr schnell um ist über einen Lastwiderstand R₃ mit dem Pluspol der _auf den Wert ihres nichtleitenden Zustandes. Demzu-Spannungsquelle 4 verbunden. Ein Kondensator C und folge lädt sich der Kondensator C, ausgehend vom Punkt eine Diode 5 sind in Serie miteinander zwischen dem ₅₀ folge lädt sich der Kondensator C, ausgehend vom Emitter # und der Basiselektrode B₁ derart angeschlossen, Punkt 11 in Fig. 3 c, wieder auf bis zu dem Punkt, wo daß das negative Anschlußende der Diode mit dem _seine Spannung wieder der Spannung Uz entspricht und negativen Anschlußende der Doppelbasisdiode verbunden _Zu welchem Zeitpunkt sich der bereits beschriebene ist. Ein anderer Ladewiderstand R₁ ist zwischen dem Zyklus wiederholt. Der Stromfluß I₇ in der Diode 5 ist Verbindungspunkt der Diode5 mit dem Kondensator C 55 dargestellt durch das Diagramm in Fig. 3d und die und dem Pluspol 2 der Spannungsquelle 4 angeschlossen. Spannung U_c an der Kapazität C durch das Diagramm Das Ausgangssignal wird der Anordnung zwischen der ^_n pig, 3_e.

Anschlußklemme 3 und der mit der Basiselektrode B₂ Die Impuls- und die Pausenzeit I₁ bzw. t₂ einer Periode

verbundenen Anschlußklemme 6 entnommen. der Fig. 3a sind durch folgende Gleichungen gegeben:

Die Bedingungen, welche erfüllt sein müssen, um die 60

Anordnung nach Fig. 1 zum Schwingen zu bringen, sind r rr 77 1

folgende: t_t = CR₂ In (3)

1. Der über den Widerstand R₂ zum Emitter fließende L ^ub — U J
Strom muß größer sein als der aus dem Diagramm

nach Fig. 2 ersichtliche Spitzenstrom Iz- Mathema- 65

tisch ausgedrückt muß also folgende Bedingung U = CR In ^B*~^Uz
erfüllt sein:

^{B z} > l_Zm (i) In diesen Gleichungen ist mit Ue₀ die Emitterspannung

R₂ 70 bezeichnet, die dem Strom Ie₀ beim Punkt P₂ (Fig. 2)

Claims

1 096 41Ü

entspricht. Bei diesem Punkt ist der Emitterstrom Is₀ verbunden, dessen anderes Ende am Pluspol der Speisefd Bih b i

p p

durchfolgende Beziehung gegeben: spannung liegt. Das Diagramm der Fig. 3d stellt auch

die zeitliche Abhängigkeit des in der Basis B fließenden

j _ Ub . Ub — Ueq ,„ Basistromes dar. Das Diagramm der Fig. 3b ist auch

⁰ R₁ R₂ 5 ein Abbild der Charakteristik der Spannung, die der

Basis B zugeführt wird. Die Anordnung gemäß Fig. 4

oder, wenn !JjB₀ klein ist im Vergleich zu Ub, durch die hat den besonderen Vorteil, daß Veränderungen der Beziehung Belastung keine Rückwirkung auf die Impuls- und

_ Γ 1 1 "1 _fi Pausenzeiten haben, da der Verbraucher- und der Zeit-

^E° ~ ^B P^ ■" β ' { * ίο kreis grundsätzlich voneinander isoliert sind.

^ ¹ Fig. 5 zeigt die Schaltung eines symmetrischen MultiEiner der Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung vibrators, bei dem zwei Doppelbasisdioden verwendet gegenüber der in Fig. 1 der obenerwähnten USA.-Patent- werden. In dieser Schaltung ist die Diode 5 der Fig. 1 schrift 2 801 340 dargestellten Anordnung besteht darin, durch den Emitter-Basis-Kreis einer Doppelbasisdiode 14 daß nunmehr hinsichtlich der den Kondensator auf- und 15 ersetzt, deren Basiselektroden ebenfalls mit B₁ und B₂ entladenden Widerstände R₁ und R₂ eindeutige Bemes- und deren Emitter mit E bezeichnet ist. Durch die sungsregeln gegeben sind, insbesondere um Schwingungen Verwendung dieser zweiten Doppelbasisdiode erhält man zu erzeugen. Bei der bekannten Anordnung nach der ein zusätzliches Ausgangssignal an den Klemmen 3 und 15, obenerwähnten Patentschrift muß die Bedingung das gegenüber dem anderen Ausgangssignal um 180°

20 in der Phase verschoben ist. In dieser Schaltung ist die

^17 ' E ^ y Basis B₁ der Doppelbasisdiode 14 mit dem Minuspol 2

ρ _]_ R₁₉ ^v und ihre Basis B₂ über einen Lastwiderstand R_i mit dem

Pluspol 2 verbunden. Es besteht hier auch die Möglichkeit,

erfüllt sein, da sonst die Schwingungen des Kreises nicht jeweils zwischen Masse und den Emittern E der beiden einsetzen. Durch diese Bedingung ist aber die Größen- 25 Doppelbasisdioden 1 und 14 sägezahnförmige Spannungen wahl der Widerstände sehr begrenzt, was wiederum zur abzugreifen, die in Gegenphase zueinander liegen.

Folge hat, daß auch der Einstellbereich für die Impuls- Fig. 6 zeigt die Schaltung eines monostabilen Multi-

und Pausendauer einer Periode nur sehr begrenzt ist. vibrators. Der Widerstand R₅, der zwischen dem Darüber hinaus lädt sich der Kondensator 20 bei einer Emitter E und dem Minuspol 3 angeschlossen ist, derartigen Bemessung des Kreises nicht auf den Wert 30 erzeugt eine Vorspannung für den Emitter E, welche um der Speisespannung E auf, sondern auf den Spannungs- ein geringes kleiner ist als die Maximalspannung Uz des

wert Emitters. Die Doppelbasisdiode 1 wird durch eine

i?₁₇ · E positive Kippspannung, die dem zwischen den Eingangs-

"~n _i π ■ klemmen 3 und 16 angeschlossenen Widerstand R₆ über-

^{17 19} 35 lagert wird, in den leitenden Zustand gekippt. Der

Wenn der Maximalwert der Spannung V_p bei ver- Multivibrator kann aber auch in den leitenden Zustand

schiedenen Anordnungen von Fall zu Fall unterschiedlich gekippt werden, indem man der Basiselektrode B₂ einen

ist, werden demzufolge innerhalb gewisser Toleranzen geeigneten negativen Impuls zuführt und dadurch die

die Impuls- und Pausenzeiten unterschiedlich ausfaEen. Doppelbasisdiode leitend macht.

Es ist demnach zu ersehen, daß bei der erfindungs- 40 Fig. 7 zeigt die Schaltung eines anderen monostabilen gemäßen Anordnung ein größerer Spielraum in bezug Multivibrators. Der Widerstand R₁ (vgl. auch Fig. 1) ist auf die Überwachung der Impuls- und Pausenzeiten U₁ zu einer Klemme 17 geführt, einem negativen Anschluß- und t₂ des Ausgangssignals besteht, als das bei den punkt, welcher die Diode 5 im Sinne einer Nichtleitung bisher bekannten Anordnungen der Fall ist. In anderen vorspannt. Der Emitter der Doppelbasisdiode ist normaler-Worten ausgedrückt bedeutet das, daß Toleranzen in 45 weise leitend. Er wird in den umgekehrten Zustand den Werten der einzelnen Schaltelemente der erfindungs- übergeführt, indem das Potential an der Klemme 17 so gemäßen Anordnung nicht so sehr kritisch sind. Die weit erhöht wird, daß die Diode 5 leitend wird. Schwingungen setzen selbst dann ein, wenn die Werte Bei den Anordnungen nach den Fig. 1, 6 und 7 können

der Widerstände A₁ und A₂ und des Kondensators C die Impuls- und Pausenzeiten weitgehend unabhängig innerhalb relativ großer Toleranzgrenzen liegen. Jedes 50 von den Charakteristiken der Doppelbasisdioden gemacht der beiden Zeitintervalle einer Periode kann unabhängig werden, wenn man an Stelle der Diode 5 eine Zenerdiode über einen weiten Bereich verändert werden, ohne daß oder andere äquivalente spannungregelnde Schaltungsdas Zeitintervall eingeschränkt wird, welches man in dem elemente vorsieht. In einem solchen Fall fällt das anderen Teil der Periode erhält. Potential an dem Verbindungspunkt zwischen der

Die Fig. 4 bis 7 zeigen andere Ausführungsbeispiele 55 Diode 5 und dem Kondensator C auf einen Restwert der vorliegenden Erfindung. Schaltungselemente in ab (Punkt 4 der Fig. 3 b), der unabhängig von den diesen Figuren, die denen in Fig. 1 entsprechen, tragen Charakteristiken der Doppelbasisdioden eindeutig festdie gleichen Bezugszeichen. liegt und bestimmt wird durch die Charakteristik der

In der Schaltung nach Fig. 4 ist die Diode 5 der Zenerdiode im Sperrbereich. Es ist leicht einzusehen, daß Schaltung nach Fig. 1 durch den Basis-Emitter-Kreis 60 mit solchen Maßnahmen eine sehr genaue Kontrolle der eines n-p-n-Transistors 12 ersetzt. Dieser Transistor, Impuls- und Pausenzeiten eines Multivibrators erhalten welcher einen Emitter!?, eineBasis B und einen Kollektor./? werden kann, enthält, ermöglicht zusätzlich eine Verstärkung und

Pufferung des Ausgangssignals, das von dem Doppel- Patfntansprüphf·

basisdiodenkreis erhalten wird. In dieser Schaltung ist 65 .tatentanspruche.

der Emitter E des Transistors 12 mit dem Minuspol 3

verbunden. Die Basis B ist verbunden mit dem Ver- 1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung elektrischer

bindungspunkt zwischen dem Kondensator C und dem Impulse unter Verwendung von als Doppelbasis-

Widerstand A₁. Der Kollektor K ist mit der Ausgangs- dioden (Unijunction-Transistoren) ausgeführten Halbklemme 13 und einem Ende des Lastwiderstandes i?₄ 70 leiteranordnungen mit teilweise negativer Wider-

Standscharakteristik, wobei die negative Basiselektrode der Doppelbasisdiode über einen Kondensator und einen in Sperrichtung zum Basisstrom gepolten richtungsabhängigen Widerstand mit dem Emitter und letzterer über einen als Ladewiderstand für den Kondensator dienenden Widerstand mit dem Pluspol der Speisegleichspannung verbunden ist, dadurch, gekennzeichnet, daß der Kondensator (C) zwischen dem Emitter (E) der Doppelbasisdiode (1) und dem richtungsabhängigen Widerstand (5) in den Emitter-Basis-Kreis eingeschaltet und ein weiterer Widerstand (A₁) vorgesehen ist, der einseitig am Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator und dem richtungsabhängigen Widerstand angeschlossen ist und über welchen die Vorspannimg des richtungsabhängigen Widerstandes entweder selbsttätig von der Speisespannung her oder von einer Fremdspannung

derart gesteuert wird, daß er abwechselnd leitend und nichtleitend ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Emitter-Basis-Kreis der Doppelbasisdiode (1) als richtungsabhängiger Widerstand (5) eine Kristalldiode, insbesondere eine Zenerdiode, verwendet wird (Fig. 1, 6 und 7).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Emitter-Basis-Kreis der Doppelbasisdiode (1) als richtungsabhängiger Widerstand (5) ein n-p-n-Transistor (12) verwendet wird (Fig. 4).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Emitter-Basis-Kreis der Doppelbasisdiode (1) als richtungsabhängiger Widerstand (5) eine zweite Doppelbasisdiode (14) verwendet wird (Fig. 5).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen