-
Multistabiler Schaltkreis aus einer Reihenschaltung mehrerer Tunneldioden
mit unterschiedlichen Hügelströmen Die Erfindung betrifft einen multistabilen Schaltkreis
aus einer Reihenschaltung mehrerer Tunneldioden mit unterschiedlichen Hügelströmen.
-
Es ist bekannt, eine derartige Tunneldiodenkette als Speicherschaltmittel
mit mehreren durch die Anzahl der in der Kette angeordneten Tunneldioden gegebenen
Schaltzuständen einzusetzen. Bekannte Speicherschaltungen dieser Art verwenden Tunneldioden
mit annähernd gleicher Kennlinie. Da die Hügelströme der Tunneldioden doch stets
etwas verschieden sind, werden bei Stromerhöhung in dieser Kette die Tunneldioden
immer der Reihe nach umgesteuert werden. Für eine Speicherschaltung genügt es, wenn
durch den Steuerimpuls der Hügelstrom einer Tunneldiode kurzzeitig überschritten
wird. Es muß nur dafür gesorgt werden, daß durch den bei der Umsteuerung der Tunneldiode
auftretenden Spannungssprung der Stromfluß durch die Kette wieder reduziert wird.
Der Strom darf jedoch nicht voll abgeschaltet werden, da sonst der neue Schaltzustand
der Tunneldiode nicht beibehalten wird. Es muß der Kette daher ein Strom eingeprägt
werden, der etwas höher ist als der Talstrom der Tunneldioden. Bei einem derartigen
Einsatz des multistabilen Schaltkreises treten noch keine besonderen Schwierigkeiten
auf. Werden diese multistabilen Schaltkreise jedoch für einen Analog-Digital-Wandler
oder einen Maximalwertanzeiger eingesetzt, dann müssen Bekannterweise Tunneldioden
mit unterschiedlichen Hügelströmen in der Kette angeordnet werden. Die Hügelströme
sind so ausgewählt, daß der gewünschte Strombereich der Steuergröße stufenweise
erfaßbar wird. Diese bekannten multistabilen Schaltkreise weisen den Nachteil auf,
daß der erfaßbare Strombereich nur sehr klein ist, obwohl es möglich ist, Tunneldioden
mit Hügelströmen von einigen Milliampere bis zu einigen Ampere herzustellen. Dies
rührt davon her, daß das Verhältnis von Hügelstrom zu Talstrom bei allen Dioden
bestimmter Ausführung, unabhängig von der Größe des Hügelstromes, annähernd konstant
ist. Ist dieses Verhältnis etwa durch einen Faktor k bestimmt, dann läßt sich der
multistabile Schaltkreis nur in einem Strombereich betreiben, der durch den Machen
Wert der ersten Anzeigestufe, d. h. etwa dem niedrigsten Hügelstrom der in der Kette
angeordneten Dioden, gegeben ist. Der eingeprägte Grundstrom muß ja so gewählt sein,
daß die Diode mit dem kleinsten Hügelstrom dadurch noch nicht umgesteuert wird und
die Diode mit dem größten Hügelstrom nach der Umsteuerung und Abschaltung des Steuerimpulses
in dem neuen Schaltzustand bleibt. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen neuen multistabilen
Schaltkreis anzugeben; bei dem der Strombereich der in der Kette angeordneten Tunneldioden
wesentlich größer sein kann und eigentlich nur durch die Tunneldiodenherstellung
selbst bestimmt ist. Der multistabile Schaltkreis aus einer Reihenschaltung mehrerer
Tunneldioden mit unterschiedlichen Hügelströmen ist dadurch gekennzeichnet, daß
der eingeprägte Grundstrom der Tunneldiodenkette beim Umsteuern einer Tunneldiode
in den hochohmigen Zustand in Abhängigkeit vom Schaltzustand der Tunneldioden, stufenweise
und jeweils auf die Kennwerte der beim nächsten Schaltvorgang umzusteuernden Tunneldiode
abgestimmt, verändert wird. Eingeleitet wird die Stromänderung über die zur überwachung
und Anzeige des Schaltzustandes der Tunneldioden vorgesehenen Schaltmittel. Nach
einer weiteren Ausgestaltung des multistabilen Schaltkreises besitzen diese üherwachungsschaltmittel
einen Haltekreis, so daß die umgesteuerten Dioden jederzeit aus dem Speicherkreis
ausgeschaltet werden können. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn der Strombereich
sehr groß ist. Die großen Speicherströme werden dann von den Tunneldioden mit kleinem
Hügelstrom ferngehalten. Der einfachste Weg ist der, die umgesteuerten Tunneldioden
nach dem Ansprechen und Festhalten des zugeordneten überwachungsschaltmittels im
Speicherkreis kurzzuschließen. Da die Tunneldioden einer bestimmten Ausführungsform
beim Hügelstrom annähernd gleichen Spannungsabfall aufweisen und die Ein- und Ausschaltung
der Tunneldioden so erfolgen kann, daß stets nur eine Tunneldiode im Speicherkreis
wirksam ist, sieht eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen multistabilen Schaltkreises
vor, daß zur Überwachung des Schaltzustandes der Tunneldiodenkette nur ein
Indikator
vorgesehen wird, der in Abhängigkeit von der Fortschaltung einer Kettenschaltung
nacheinander zur Prüfung des Schaltzustandes aller Tunneldioden umgeschaltet wird.
Dabei wird der eingeprägte Strom stufenweise so erhöht, daß in jedem Schaltzustand
an der Tunneldiodenkette gleicher Spannungsabfall auftritt. Die Kettenschaltmittel
sind so miteinander gekoppelt, daß sie der Reihe nach in den Ausgangskreis des gemeinsamen
überwachungsschaltmittels eingeschaltet werden. Die Hügelströme der in der Kette
angeordneten Tunneldioden sind nach den gewünschten Stromstufen, die angezeigt werden
sollen, ausgewählt. Der Hügelstrom einer Tunneldiode wird aus der Summe des bei
diesem Schaltzustand gegebenen eingeprägten Stromes und dem Wert des anzuzeigenden
Stromes ermittelt. Im Ruhezustand des Schaltkreises ist nach einer weiteren Ausgestaltung
nur die Tunneldiode mit dem kleinsten Hügelstrom in den Speicherkreis eingeschaltet.
Die übrigen Tunneldioden werden über die Kettenschaltung der Reihe nach ein- und
wieder ausgeschaltet. Die Tunneldiode mit dem höchsten Hügelstrom kann nach ihrer
Einschaltung in den Speicherkreis auch nach ihrer Umsteuerung im Speicherkreis eingeschaltet
bleiben. Die Rückstellung des multistabilen Schaltkreises in den Ruhezustand erfolgt
erfindungsgemäß durch Abschaltung des eingeprägten Stromes.
-
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen in ihren Einzelheiten erläutert.
Es zeigt F i g. 1 die Kennlinien der Tunneldioden mit unterschiedlichen Hügelströmen,
F i g. 2 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen multistabilen
Schaltkreises, F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel mit mehreren Überwachungsschaltmitteln
und F i g. 4 eine andersartige Weiterschalterschaltung des Speicherkreises und die
Überwachung mit einem einzigen überwachungsschaltmittel.
-
In F i g. 1 sind die Kennlinien verschiedener Tunneldioden TD
1, TD 2, TD 3, TD 4 und TD
n ge-
zeigt. Alle Kennlinien weisen bei einer Spannung UH
einen Maximalwert
des Stromes auf, den sogenannten Hügelstrom IH 1, IH 2, IH 3, IH 4 und
IH n. Beim Überschreiten dieses Stromwertes fällt die Kennlinie ab, und der
Strom erreicht bei einer Spannung UT einen Minimalwert, den sogenannten Talstrom
1T 1,
1T 2, 1T 3. 1T 4 und 1T
n. Bei diesen Kennlinien wird annähernd konstantes Schaltverhältnis vorausgesetzt,
das mit
gegeben ist. Um mit diesen Tunneldioden einen multistabilen Schaltkreis der bekannten
Art aufzubauen, müßte der Kette ein Grundstrom eingeprägt werden, der größer als
der Talstrom 1T n ist. Dadurch würde aber die Tunneldiode TD 1
mit dem Hügelstrom 1H1 stets im umgesteuerten Zustand (mit großem Spannungsabfall)
sein und für den multistabilen Schaltkreis bedeutungslos sein. Bei den bekannten
multistabilen Schaltkreisen dieser Art muß der größte Talstrom 1T n also
immer kleiner als der kleinste Hügelstrom IH I sein, so daß über einen eingeprägten
Strom multistabiles Verhalten über alle Tunneldioden der Kette erhalten wird. Aus
diesem Grunde wird aber der Strombereich der Anordnung sehr stark eingeengt. Die
Herstellung von Tunneldioden mit einem sehr großen Bereich der Hügelströme ist möglich,
kann aber durch die bekannten Anordnungen nicht ausgenutzt werden. Der multistabile
Schaltkreis nach der Erfindung hat nun einen stufenweisen Anstieg des eingeprägten
Stromes. Ist keine Tunneldiode umgeschaltet, dann wird über einen Grundstrom 1E
die Umsteuerung der Tunneldiode TD 1 vorbereitet. Dieser Strom braucht
nur größer als der Talstrom 1T 1 und kleiner als der Hügelstrom
1H1 sein. Wird der Strom in der Kette kurzzeitig über den Hügelstrom IH l
erhöht, dann geht die Tunneldiode TD 1 in ihren anderen stabilen Schaltzustand
über. Damit diese Tunneldiode nach der Abschaltung des Steuerimpulses nicht wieder
in den Ausgangszustand mit dem Spannungsabfall UE zurückgeht, muß der eingeprägte
Strom 1E aufrechterhalten werden. Zur Vorbereitung des nächsten Schaltvorganges
wird nunmehr der eingeprägte Strom auf den Wert 1E1 erhöht. Dieser Wert ist an die
Kennwerte IH 2 und 1T 2 der Tunneldiode TD
2 angepaßt. Steigt der Steuerstrom in der Kette über den Hügelstrom 1H2,
dann geht auch die Tunneldiode TD 2 in ihren anderen stabilen Arbeitsbereich
über. Davon abgeleitet kann wiederum der eingeprägte Strom auf den Wert 1E2 erhöht
werden, der auf die Kennwerte 1H3 und 1T 3 der Tunneldiode TD
3 ab-
gestimmt ist usw. Dieses Schaltspiel wiederholt sich so lange, bis schließlich
die Tunneldiode TD n umgesteuert ist. Da nunmehr der Endzustand des multistabilen
Schaltkreises erreicht ist, braucht der eingeprägte Strom nicht mehr weiter erhöht
werden, denn er wurde ja bereits beim Umsteuern der Tunneldiode TD n-1 auf
die Werte der Tunneldiode TDn abgestimmt.
-
Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild, an Hand dessen die Wirkungsweise
eines multistabilen Schaltkreises nach der Erfindung erklärt werden kann. Über den
Widerstand R o wird der Tunneldiodenkette TD 1
... TD n der
eingeprägte Strom 1E zugeführt. Über die Entkopplungsdiode D wird dem Speicherkreis
der Steuerstrom zugeführt. Will man erreichen, daß bei einem Stromwert I l die erste
Änderung in dem Schaltzustand des multistabilen Schaltkreises auftritt, dann wird
der Hügelstrom IH 1 so gewählt, daß er mit dem eingeprägten Strom 1E zusammen diesen
Wert I l ergibt. Die Tunneldioden TD 1 ... TD n
der Kette werden
durch SchaltstufenSl ... Sn überwacht. Diese Schaltstufen sprechen erst an,
wenn die überwachte Tunneldiode in den Schaltzustand mit größerem Spannungsabfall
übergegangen ist. Diese Oberwachungsschaltmittel haben einen eigenen Haltekreis,
so daß die steuernde Tunneldiode ohne weiteres abgeschaltet werden kann, ohne daß
dadurch der erreichte Schaltzustand verlorengeht. Dies wird durch die Kontakte s
... 1I und s ... III angedeutet. Die Ausschaltung der Tunneldioden
beim Weiterschalten der Kette hat den Vorteil, daß später folgende große Steuerströme
nicht mehr über die Tunneldioden mit kleinem Hügelstrom geleitet werden müssen.
Über den Schaltkontakt s ... I wird die Stromerhöhung eingeleitet, wie sie bei der
F i g. 1 erläutert wurde. Der Widerstand R 1
ist z. B. so zu bemessen, daß
die Ströme über die angeschalteten
Widerstände Ro und R 1 den eingeprägten
Strom 1E1 ergeben. Diese Bemessungsvorschrift ist sinngemäß anzuwenden bis zur Dimensionierung
des Widerstandes R n-1. Bei der Auslegung der Schaltung können jedoch auch die Schaltstufen
S1 ... Sn so verkoppelt sein, daß stets nur eine Schaltstufe aktiviert ist,
dann müssen die eingeprägten Ströme eben über die bei dieser Schaltstellung angeschalteten
Widerstände eingestellt werden.
-
Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen multistabilen Schaltkreises
ist in F i g. 3 dargestellt. Als Überwachungsschaltmittel sind Transistorschaltstufen
Trl ... Trn mit nachgeschalteten Relais S1 ... Sn eingesetzt. Der
Steuerkreis der Transistoren ist so ausgelegt, daß diese Schaltstufen nur ausgesteuert
werden, wenn die steuernde Tunneldiode TD 1 ... TD n großen
Spannungsabfall, d. h. größer als die Spannung UH, bringt. Spricht das nachgeschaltete
Relais an, dann hält es sich über den eigenen Kontakt s ... III, während
die Kontakte s ... II den Kurzschluß der Tunneldiode übernehmen. Die Verkopplung
der Schaltmittel S1 ... Sn ist so, daß jeweils die den umgesteuerten Tunneldioden
zugeordneten Schaltmittel erregt sind. Daraus läßt sich auch der Schaltzustand des
multistabilen Schaltkreises aufrechterhalten, obwohl die einmal umgesteuerten Tunneldioden
nicht mehr wirksam in den Speicherkreis eingeschaltet sind. Die Widerstände R 1
bis bis R n-1 sind so zu dimensionieren, daß der eingeprägte Strom stufenweise von
1E über 1E 1 bis IE rc - 1 erhöht wird.
-
Werden die Tunneldioden in der in. F i g. 4 gezeigten Weise im Speicherkreis
geschaltet, dann läßt sich mit einem einzigen überwachungsschaltmittel Tr die gesamte
Kette überwachen. Im Ausgangszustand ist nur die Tunneldiode TD 1 mit dem
niedrigsten Hügelstrom IH 1 eingeschaltet. Bei dem eingeprägten Strom 1E fällt im
Steuerkreis des Transistors Tr die Spannung UE an, bei der der Transistor noch nicht
ausgesteuert wird, da er im Emitterkreis entsprechend vorgespannt ist. Wird der
über den Eingang K zugeführte Steuerstrom über den Hügelstrom IH1 erhöht, dann steigt
der Spannungsabfall an der Diode TD 1 sprungartig an. Der Transistor Tr wird
leitend, und das nachgeschaltete Schaltmittel P 1 spricht an, hält sich selber und
betätigt seinen Kontakt p 1. Die Tunnneldiode TD 1 wird kurzgeschlossen und
die Tunneldiode TD 2 eingeschaltet. Gleichzeitig wird in nicht dargestellter
Weise der eingeprägte Strom auf 1E 1 erhöht und in den Ausgangskreis das
Schaltmittel P2 eingeschaltet. Übersteigt der Steuerstrom mit dem eingeprägten Strom
zusammen auch den Hügelstrom 1H2, dann wird auch die Tunneldiode TD
2 umgesteuert. Das Schaltmittel P 2 spricht an, der eingeprägte Strom wird
auf 1E2 er- ; höht und das Schaltmittel P3 angeschaltet. Die Kettenschaltung P 1
. . . P 4 kann dabei so ausgelegt werden, daß beim Ansprechen des Schaltmittels
P2 das Schaltmittel P 1 wieder in die Ruhelage zurückkehrt. Diese Art der Kettenschaltung
wirkt sich nur t in der Anzeige des erreichten Schaltzustandes aus und bedingt wieder
eine entsprechende Dimensionierung der zusätzlich eingeschalteten Stromzweige für
den eingeprägten Gesamtstrom. Ist schließlich das Schaltmittel P 3 aktiviert, dann
wird beim Ansprechen des Schaltmittels P 4 der Speicherkreis nicht mehr verändert.
Es kann jedoch auch die Tunneldiode TD4 beim Ansprechen des Schaltmittels P4 aus
dem Speicherkreis ausgeschaltet werden, wenn die Steuerströme sehr groß sind und
lange Zeit anliegen.
-
Es sind nur einige Beispiele für die Fortschaltung und Überwachung
des multistabilen Schaltkreises nach der Erfindung gezeigt. Andere Anordnungen lassen
sich aufbauen, und stets wird durch die Tunneldioden keine Einschränkung gegeben
sein, wenn man die erfindungsgemäße Anpassung des Grundstromes entsprechend der
Weiterschaltung des multistabilen Schaltkreises wählt. Auch rein elektronische Auswerte-
und überwachungsschaltkreise sind ausführbar, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.