DE1112112B - Elektronischer Umschalter mit drei stabilen Lagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Umschalter mit drei stabilen Lagen. Derartige Schaltungen werden beispielsweise in der Telegrafentechnik in steigendem Umfang als Ersatzschaltungen für gepolte Telegrafenrelais mit Mittelstellung der Kontaktzunge verwendet.

Ein gepoltes Telegrafenrelais mit Mittelstellung muß entsprechend den drei möglichen Zuständen »positiver Strom«, »negativer Strom« und »kein Strom« auf einer ankommenden Leitung drei stabile Lagen einnehmen. Auch eine vollwertige elektronische Ersatzschaltung muß diese drei stabilen Zustände nachbilden können.

Eine bekanntgewordene elektronische Ersatzschaltung eines gepolten Telegrafenrelais mit Mittelstellung enthält drei Transistoren und weist drei stabile Lagen auf. Jede der drei stabilen Lagen ist durch den Leitzustand eines Transistors und den Sperrzustand der beiden anderen Transistoren gekennzeichnet.

Bei einem anderen vorgeschlagenen elektronischen Umschalter werden zwei unabhängig voneinander steuerbare bistabile Kippstufen verwendet. Die beiden Kippstufen sind dabei zu einer Schaltung mit vier stabilen Zuständen verbunden, die bei entsprechender impulsweiser Steuerung an den Steuereingängen der Kippstufen positiven bzw. negativen bzw. keinen Strom an einem an ihrem Ausgang angeschlossenen Verbraucher abgibt. Die beiden Kennzustände »positiver Strom« und »negativer Strom« sind durch unterschiedliche Lagen der Kippstufen (eine Kippstufe im Ein-Zustand und eine Kippstufe im Aus-Zustand), der Kennzustand »kein Strom« durch gleiche Lagen der Kippstufen (beide Kippstufen in der Ein- oder Aus-Lage) gekennzeichnet.

Bei diesem ersten Typ von Relaisersatzschaltungen wird, falls Transistoren Verwendung finden, keine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang erreicht.

Bei einem zweiten Typ von Relaisersatzschaltungen wird dagegen eine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang dadurch erreicht, daß der Eingangsgleichstrom in eine Wechselspannung umgeformt, diese über Übertrager ausgekoppelt und verstärkt und anschließend wieder in eine Gleichspannung umgewandelt wird.

Der elektronische Umschalter gemäß der Erfindung gehört zu dem ersten Typ von Relaisersatzschaltungen. Erfindungsgemäß liegen im Steuerkreis zwei über Vorwiderstände im niederohmigen Durchlaßbereich betriebene Tunneldioden gegensinnig parallel, und es ist jeder Tunneldiode die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors gleichsinnig parallel ge-Elektronischer Umschalter
mit drei stabilen Lagen

Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dipl.-Ing. Hans Norbert Toussaint, München,
ist als Erfinder genannt worden

schaltet. Beim Anlegen einer positiven bzw. negativen Steuerspannung ausreichender Größe an diese Parallelschaltung kippt nur die eine bzw. die andere

a° Tunneldiode in den hochohmigen Durchlaßbereich und steuert dabei jeweils den parallelliegenden Transistor durchlässig, während bei fehlender Steuerspannung beide Tunneldioden im niederohmigen Durchlaßbereich betrieben werden und demnach beide Transistoren gesperrt sind. Der Arbeitspunkt der Tunneldiode ist dabei durch entsprechende Wahl der Vorwiderstände so eingestellt, daß sich im Ruhezustand und Arbeitszustand nur jeweils ein Schnittpunkt der Widerstandsgeraden mit der Kennlinie der Tunneldiode ergibt.

Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert.

Die Tunneldiode ist ein neuartiges Halbleiter-Bauelement.

Fig. 1 zeigt die Kennlinie einer Tunneldiode im Durchlaßbereich. Im Bereich 1 dieser Kennlinie wächst der Strom sehr rasch und ungefähr proportional mit der angelegten Spannung. In diesem Kennlinienbereich ist die Tunneldiode relativ niederohmig, der Widerstand liegt in der Größenordnung von 1 Ohm. Es schließt sich ein Kennlinienbereich 2 an, in dem der Strom bei weitersteigender Spannung abnimmt, die Tunneldiode also zunehmend hochohmiger wird. Im Bereich 3 hat die Kennlinie wieder positive Neigung. Der Widerstand im Punkt A liegt um eine bis zwei Zehnerpotenzen über dem Widerstand im Kennlinienbereich 1. Im folgenden wird der Kennlinienbereich 1 als niederohmiger Durchlaßbereich und der Bereich der Kennlinie in der Nähe des Punktes A als hochohmiger Durchlaßbereich der Tunneldiode bezeichnet. Zum weiteren Verständnis des Aufbaues und der Wirkungsweise von Tunnel-

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dioden wird auf die Aufsätze von L. Esaki in Phys. Rev., 109 (1958), S. 603, und J. A. Lask, N. Holonyak, U. S. Davidsohn, »The Tunnel Diode-Circuits and Applications« in Elektronics, 27. November 1959, verwiesen.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ergeben sich je nach der Größe eines Vorwiderstandes der Tunneldiode sowie der Größe der Betriebsspannung verschiedene Betriebsarten der Tunneldiode. Werden beispielsweise die Batteriespannung und die Größe des Vorwider-Standes relativ groß gewählt (Arbeitsgerade 4), so kann die Tunneldiode zwei stabile Schaltzustände (Punkte B und C) einnehmen. Bei kleinerer Größe des Vorwiderstandes und der Batteriespannung (Arbeitsgerade 5) ergibt sich nur ein stabiler Schaltzustand (Punkt B). Erhöht man in diesem Fall die wirksame Batteriespannung um den Betrag AU, so stellt sich der Arbeitspunkt D ein, der im hochohmigen Durchlaßbereich liegt. Erniedrigt man dagegen die Batteriespannung um den Betraget/, so stellt sich der Arbeitspunkt E ein, der wie der Arbeitspunkt B im niederohmigen Durchlaßbereich liegt.

Fig. 3 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Den Tunneldioden D1 und D 2 sind die Basis-Emitter-Strecken der komplementären Transistoren Tl und Γ 2 parallel geschaltet. Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Parallelschaltung von Tunneldiode und Transistor unterscheidet sich praktisch nur unwesentlich von der Kennlinie der Tunneldiode allein nach Fig. 1 oder 2. Dies gilt insbesondere dann, wenn Tunneldiode und Transistor aus dem gleichen Halbleitermaterial, beispielsweise aus Germanium, gefertigt sind.

Im Ruhezustand, d.h. bei fehlender Steuerspannung Vst zwischen den Steuerklemmen α und b, befinden sich die beiden Tunneldioden D1 und D 2 im niederohmigen Durchlaßbereich. Durch die Vorspannungen Ul und V 2 und die Vorwiderstände R1 und R2 ergibt sich eine Arbeitsgerade, die der Arbeitsgeraden 5 nach Fig. 2 entspricht. Demzufolge liegt der Arbeitspunkt für die Tunneldioden D1 und D 2 im Punktß nach Fig. 2. In diesem Zustand fällt an den beiden Tunneldioden nur eine sehr geringe Spannung ab, und demzufolge sind die Transistoren Tl und Γ 2 gesperrt. Durch den Arbeitswiderstand R 3 fließt in diesem Fall kein Strom.

Wird nunmehr eine Steuerspannung Ust mindestens der Größe AU (Fig. 2) derart zugeführt, daß die Steuerklemme α positiv gegenüber der Steuerklemme b wird, so wird die Tunneldiode D 2 in den ArbeitspunktD und die Tunneldiode D1 in den Arbeitspunkt £ übergeführt. Die Tunneldiode D 2 befindet sich dann im hochohmigen und die Tunneldiode D1 im niederohmigen Durchlaßbereich. Infolgedessen ist die Basis des npn-Transistors Γ 2 stark positiv gegenüber seinem Emitter, und der Transistor Γ 2 wird durchlässig. Der pnp-Transistor Tl dagegen bleibt gesperrt. Demzufolge bildet sich ein Stromfluß vom Pluspol der Spannungsquelle U 4 über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T 2, die Spannungsquelle U 2 und den Arbeitswiderstand A3 zum Minuspol der Spannungsquelle !74 aus. Bei umgekehrter Polarität der Steuerspannung Ust wird die Tunneldiode D1 in den Arbeitspunkt D und die Tunneldiode D 2 in den Arbeitspunkt E gesteuert. In diesem FaU ist dann der Transistor Tl durchlässig und der Transistor Γ 2 gesperrt. Durch den Arbeitswiderstand R 3 fließt nunmehr ein Strom in umgekehrter Richtung, ausgehend vom Pluspol der Spannungsquelle t/3, über die Spannungsquelle E/1 und die Emitter-Basis-Strecke des pnp-Transistors Tl zum Minuspol der Spannungsquelle !73.

Bei fehlender bzw. positiver bzw. negativer Steuerspannung Ust fließt also durch den Arbeitswiderstand R3 entweder kein Strom oder ein Strom in der einen oder anderen Richtung. Alle drei Zustände sind, wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, stabil.

Der Umschalter nach Fig. 3 kann insbesondere, wie bereits erwähnt, als Ersatzschaltung eines gepolten Telegrafenrelais mit Mittelstellung der Kontaktzunge verwendet werden. An Stelle eines gemeinsamen Arbeitswiderstandes R 3 im Emitterkreis der Transistoren können selbstverständlich auch, wie in Fig. 4 dargestellt ist, getrennte Arbeitswiderstände R4, R5 in den Kollektorkreisen der Transistoren angeordnet sein. Die Transistoren Γ 3, Γ 4 können dabei vom gleichen Leitungstyp sein. Ferner können die Vorwiderstände Rl und R2 sowie die Vorspannungen Ü71und U 2 auch so gewählt werden, daß sich eine Arbeitsgerade nach Fig. 2, Linie 4, ergibt.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektronischer Umschalter mit drei stabilen Lagen, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuerstromkreis zwei über Vorwiderstände (Al, R2) im niederohmigen Durchlaßbereich betriebene Tunneldioden (Dl, D 2) gegensinnig parallelliegen und jeder Tunneldiode die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors (Tl, Γ 2) gleichsinnig parallel geschaltet ist, daß beim Anlegen einer positiven bzw. negativen Steuerspannung ausreichender Größe an die Parallelschaltung nur die eine bzw. die andere Tunneldiode in den hochohmigen Durchlaßbereich kippt und dabei den parallelliegenden Transistor durchlässig steuert, während bei fehlender Steuerspannung beide Tunneldioden im niederohmigen Durchlaßbereich betrieben werden und dabei beide Transistoren gesperrt sind, und daß der Arbeitspunkt der Tunneldioden durch entsprechende Wahl der Vorwiderstände so eingestellt ist, daß sich im Ruhezustand und Arbeitszustand nur jeweils ein Schnittpunkt der Widerstandsgeraden mit der Kennlinie der Tunneldiode ergibt (Arbeitsgeraden 5, 6, 7 in Fig. 2).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einen Tunneldiode (Dl) die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors vom Typ pnp (Tl) und der anderen Tunneldiode (D 2) die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors vom Typ npn (T 2) parallel geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Tunneldioden die Basis-Emitter-Strecken von Transistoren des gleichen Leitungstyps (Γ3, Γ 4) parallel geschaltet sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Transistoren einen gemeinsamen Lastwiderstand (i?3) haben.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Transistor einen Lastwiderstand (R 4, R S) hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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