DE1274383B - Analogrechenschaltung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G06g

Deutsche Kl.: 42 m4-7/32

Nummer: 1274 383

Aktenzeichen: P 12 74 383.8-53 (A 42763)

Anmeldetag: 29. März 1963

Auslegetag: !.August 1968

Die Erfindung betrifft eine Analogrechenschaltung in Form einer Brückenschaltung mit einem Halbleiterkörper, der sowohl einen nach einer quadratischen Kennlinie magnetisch steuerbaren Widerstand als auch den Halleffekt besitzt und zwei Längselektroden sowie mindestens eine Hallelektrode aufweist, und mit einer Erregerspule für den Halbleiterkörper.

Es ist bekannt, daß Halbleiterkörper für kleine magnetische Feldstärken eine quadratische Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes aufweisen. Unter Verwendung von jeweils zwei Halbleiterkörpern in einer Brückenschaltung, deren Steuermagnetfeld jeweils der Summe bzw. der Differenz zweier Eingangsgrößen gleich ist, kann man Produktgrößen erhalten.

Andererseits ist auch die Auswertung des Halleffektes in Analogrechenschaltungen bekannt. Der Halleffekt ist bekanntlich quadratisch von dem anliegenden Magnetfeld abhängig.

Diese bekannten Rechenschaltungen sind jeweils nur für quadratische Ausdrücke brauchbar.

Aufgabe der Erfindung ist eine solche Ausbildung einer Analogrechenschaltung, daß dieselbe zur Berechnung kubischer Ausdrücke brauchbar ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Halbleiterkörper mit den beiden Längselektroden an zwei bezüglich der Einspeisungsdiagonalpunkte in Reihe gelegene Brückenzweige angeschlossen ist und daß nur eine Hallelektrode mit der Meßdiagonalen verbunden ist.

Durch den Einbau des Halbleiterkörpers in eine Brückenschaltung in der oben angegebenen Weise erreicht man, daß die Diagonalspannung sich mit der dritten Potenz des Stromes ändert. Durch gleichzeitige Ausnutzung des Halleffektes ergibt sich zusätzlich eine quadratische Abhängigkeit, so daß man mit der Analogrechenschaltung nach der Erfindung unmittelbar gemischte algebraische Ausdrücke kubischer und quadratischer Art auswerten kann. Als Halbleiterkörper mit der gewünschten magnetischen Abhängigkeit des Widerstandes und dem gewünschten Halleffekt eignen sich Halbleiterkörper hoher Trägerbeweglichkeit.

Die Erfindung stellt somit einen einfach aufgebauten Analogrechner für die Berechnung algebraischer Gleichungen bis zum dritten Grad mit einer Anzahl von Veränderlichen sowie mit verschiedenen einstellbaren Faktoren zur Verfügung. Die Analogrechenschaltung nach der Erfindung ist genau, sicher und leicht zu bedienen. Die Erfindung ist deshalb besonders geeignet für die Anwendung in elektronischen Analogrechnern, für Übertragungselemente in automatischen Steuereinrichtungen oder Fernmeßgeräten.

Analogrechenschaltung

Anmelder:

Agency of Industrial Science and Technology, Ministry of International Trade and Industry, Tokio

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt, 8000 München 22, Widenmayerstr. 5

Als Erfinder benannt:
Shoei Kataoka,
Hideo Yamada,
Shintaro Kobayashi, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 30. März 1962 (12 024),

vom 30. Juni 1962 (22 801),

vom 4. Juli 1962 (27 514)

Die Erfindung wird an Hand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es stellt dar

F i g. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung zur Berechnung des Ausdruckes

y = ax^a + bx^%,

F i g. 2 eine abgewandelte Ausführungsform zur Berechnung von Ausdrücken

= ax³ + bx^z

ax³

ex,

F i g. 3 den Aufbau eines abgewandelten Halbteiterbauelementes,

F i g. 4 eine Rechenschaltung mit einem Bauelement nach F i g. 3,

F i g. 5 einen Analogrechner für die Berechnung der Gleichung

y — ax³ + bx² + xc + d, F i g. 6 einen Analogrechner für den Ausdruck

F i g. 7 einen Rechner für einen Ausdruck

Z = {a (_x + by)* + c(x + by) + d}y + k und

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3 4

F i g. 8 einen Analogrechner zum Berechnen der körper 1 mit sechs Hallklemmen 11, 12, 13, 14, 15 Gleichung und 16, und zwar zusätzlich zu den Stromklemmen 2

7 — S a Cv _|_ _nv _i hu 4- rv A V -4- B ^{und 3}· ^{Auf den} gleichen Seiten gegenüberliegende

z, - XA (x i- ay -t ou -t- cv -t- ; -ι- λ Klemmenpaare 11 und 13 bzw. 14 und 16 sind ent-

(x + ay + 6« + cv + ■ ■ ■) + K) y + k. ₅ sprechend durch Widerstände verbunden, die einen

F i g. 1 zeigt einen Analogrechner, der zum Be- genügend hohen Widerstandswert im Vergleich zu

rechnen einer Gleichung dem Halbleiterkörper 1 aufweisen. Ausgangsklemmen

_v __ _ax3 _i u_xz 17 und 18 sind vorgesehen, die von jedem geeigneten

Punkt entlang dieser Schiebewiderstände abzweigen

geeignet ist, und zwar unter Verwendung des Effektes io können. Die Hallklemmen 12 und 15 im mittleren des magnetischen Widerstandes zusammen mit dem Bereich des Halbleiterkörpers sind durch einen ver-Halleffekt. Bei dieser Ausführungsform ist der Halb- änderlichen Widerstand 19 verbunden,
leiterkörper zusätzlich zu den Stromklemmen 2 und 3 F i g. 4 zeigt ein Beispiel eines Analogrechners nach

mit einem Hall-Klemmenpaar versehen. Der Halb- der Erfindung mit einem Brückenkreis, der das verleiterkörper ist in Reihe mit dem Widerstand 4 zwischen 15 besserte Schaltelement von Fig. 3 enthält. Dieser den Eingangsklemmen des Brückenkreises angeordnet, Kreis wirkt ebenfalls als Analogrechner für die und der Ausgang der Brücke wird zwischen der Gleichung

Klemme 8 und der Klemme Aa abgenommen. Die y — _axs _j_ £_X2 _j_ _cx_

Erregerspule 7 ist wiederum in Reihe mit der Brücke

geschaltet und damit mit dem Halbleiterkörper 1. 20 Die Größe und das Vorzeichen des Koeffizienten α Zunächst werden die Werte der Widerstände 4, 5, 6 so können beliebig durch Verschieben der Abzweigstelle eingestellt, daß bei Fließen eines Stromes / durch die der Ausgangsklemme 18 festgelegt werden. Anderer-Brücke zwischen den Ausgangsklemmen A und Aa seits wird das Vorzeichen des Koeffizienten b dadurch keine Spannung auftritt, solange die Klemmen der festgelegt, ob der Ausgang von der Klemme 18 oder Erregerspule 7 kurzgeschlossen sind, so daß auch kein 25 von der Klemme 17 abgenommen wird, während die Magnetfeld entsteht. Dann wird der Kurzschlußkreis Größe des Koeffizienten b wunschgemäß durch gefür die Erregerspule 7 geöffnet, und der Strom / fließt eignetes Einstellen des Widerstandes 19 festgelegt nacheinander durch die Brücke und die Erregerspule, werden kann. Auf ähnliche Weise sind sowohl Größe so daß eine Ausgangsspannung m V zwischen den als auch Vorzeichen des Koeffizienten c in der be-Klemmen A und Aa erzeugt wird. Die Ausgangs- 30 schriebenen Weise bestimmbar,
spannung entspricht der Summe P + P, wodurch ein In F i g. 5 ist eine weitere Ausführungsform eines

Analogrechner geschaffen wird, der zum Berechnen Analogrechners dargestellt, der eine algebraische einer Gleichung ax³ + bx* geeignet ist. Wenn die Gleichung dritten Grades der allgemeinen Form
Klemme 8 durch die andere Hallspannungsklemme 9 __ _βχ3 ι ^2 _i_ _cx _i_ j

ersetzt wird, so ändert sich das Vorzeichen des Koeffi- 35

zienten von x², so daß analoge Rechenoperationen bei zu berechnen vermag. Die Schaltung von F i g. 5 Gleichungen ax³ — bx^z möglich sind. ist im wesentlichen identisch mit derjenigen von

Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform ist ein F i g. 2, jedoch ist ein Widerstand 22, der parallel mit Widerstand 10 relativ geringer Größe in Reihe mit der einer Hilfsbatterie 20 und einem zur Batterie in Reihe Stromklemme 3 des Halbleiterkörpers 1 vorgesehen. 40 geschalteten Schalter 21 verbunden ist, in Reihe mit Die anderen Komponenten von F i g. 2 sind in der dem Ausgangskreis der Brücke geschaltet. Die Brücke gleichen Weise wie in F i g. 1 geschaltet. Zuerst wird wird unter öffnen des Schalters 21 abgeglichen, wodie Brücke durch Kurzschließen des Widerstandes 10 rauf der Schalter geschlossen wird, um einen Ausgang abgeglichen und dann der Kurzschlußkreis des Wider- zu erhalten, der zusätzlich einen konstanten Betrag Standes 10 geöffnet, so daß ein Strom I durch die 45 enthält, nämlich d, wobei dieser Wert proportional Brücke und die in Reihe geschaltete Spule fließt. Somit dem Wert des veränderlichen Widerstandes 22 ist.
wird auch eine Spannung proportional dem Strom/in Die in Fig. 6 bis 8 dargestellten Ausführungs-

der Ausgangsspannung enthalten sein, wodurch eine formen der Erfindung unterscheiden sich von denanaloge Berechnung der Gleichung jenigen von F i g. 1 bis 5 dadurch, daß der Halbleiter-

_v _ _ax3 _i_ hx^z + ex ⁵° körper 1 und seine Erregerspule 7 bzw. deren mehrere

durch getrennte Ströme gespeist werden, um so anamöglich ist. Die Koeffizienten a, b und c können auf löge Berechnungen von algebraischen Gleichungen die folgende Weise beliebig bestimmt werden: Die komplizierter Gestalt durchführen zu können. Wie Werte von α und b (genau gesagt das Verhältnis ajb) bereits oben beschrieben, ändert sich bei getrennter können über einen weiten Bereich dadurch geändert 55 Erregung die Spannung zwischen den Stromklemmen werden, daß als Belastung ein Widerstand geeigneten des Halbleiterkörpers 1 proportional dem Produkt aus Wertes zwischen die Hallklemmen 8 und 9 gelegt wird, dem Quadrat des Erregerstroms und dem durch den während der Koeffizient c leicht durch Verändern des Halbleiterkörper fließenden Strom, während an den Wertes des Widerstandes 10 geändert werden kann. Hallklemmen ein Ausgang erzeugt wird, der proportio-Das Vorzeichen der entsprechenden Koeffizienten 60 nal dem Produkt aus dem Erregerstrom und dem kann zu Plus oder Minus gemacht werden, je nach der durch den Halbleiterkörper hindurchfließenden Strom Stromrichtung, der gewählten Hallklemme und der ist.

Stelle des Einsetzens des Widerstandes 10 in die In F i g. 6 ist ein Analogrechner dargestellt, der in

Brücke (in den linken oder rechten Brückenzweig.) Kombination den magnetischen Widerstand und den

F i g. 3 zeigt ein Beispiel eines analogen Rechen- 65 Halleffekt verwendet, um eine Gleichung
elementes, das einer höheren Ordnung als die bisher 7 _ , ₂ < h_x j_ _c\ . _v _μ α

beschriebenen entspricht. Das in F i g. 3 dargestellte
analoge Rechenelement enthält einen Halbleiter- zu berechnen. Der grundsätzliche Aufbau der Brücke

von F i g. 6 ist identisch mit der Brücke von F i g. 3, mit der Ausnahme jedoch, daß in den Ausgangskreis der Brücke ein Potentiometer 22 eingesetzt ist, das durch eine Hilfsstromquelle, nämlich eine Batterie 21, gespeist wird. Zuerst werden die Erregerspule 7 und der Widerstand 10 kurzgeschlossen und die Batterie 21 vom Potentiometer 22 getrennt. Unter den Bedingungen des Fehlens eines Magnetfeldes, eines Widerstandes 10 vom Wert Null und einer Reihenspannung des Ausgangskreises mit dem Wert Null werden die verschiedenen Widerstände 4, 5 und 6 so lange verändert, bis die Ausgangsspannung der Brücke Null wird. Nach Öffnen des Kurzschlußkreises um die Erregerspule und den Widerstand 10 fließen ein Erregerstrom I_x und ein Brückenstrom I_y. Damit werden zwischen den Klemmen 2 und 8 sowie 3 und 8 eine veränderliche Komponente eines Spannungsabfalls proportional dem Produkt I_x ² ■ I_y, und zwar infolge des magnetischen Widerstandes, bzw, eine resultierende Spannungsdifferenz der Hallspannung proportional dem Produkt I_x · I_y erzeugt. Der Einbau des Widerstandes 10 führt zu einer Spannungsdifferenz proportional dem Strom I_y zwischen den Klemmen 3 und Äa.Demgemäß wird zwischen den Klemmen 8 und Aa eine Spannungsdifferenz auftreten, die ausgedrückt werden kann durch die Gleichung

AI_x* - Iy + BI_x · Iy + cly = (AI_x ² + BI_x + c) · Iy,

wobei diese Gleichung der Kombination der Potentialdifferenzen entspricht. Wenn der mit der Hilfsstromquelle 21 in Serie geschaltete Schalter zu diesem Zeitpunkt geschlossen wird, so wird durch das Potentiometer 22 eine konstante Spannung Ek dem Ausgang zuaddiert, so daß der Ausgang zu

Ströme I_n, I₁, ... gespeist werden, wodurch ein Ausgang erzeugt wird, der ausgedrückt werden kann durch

(AI_x

BI_x + C)-I_y

{A (I_x +

+ C(I_x + Bly) + D)-Iy + E_k.

Damit ist es offensichtlich, daß der Schaltkreis von F i g. 7 einen Analogrechner für eine Gleichung

{a (x + by)² + c(x + by) + d)-y + k

darstellt.

F i g. 8 zeigt eine weitere Abwandlungsform der Erfindung, wobei eine Anzahl von Erregerspulen 24, 25 ... zusätzlich vorgesehen sind, die getrennt durch (I_x

{A' (I

_x + AI_y + BI_n

+ BI_n + Ch

Ch

- -)² K}

+ B'
Iy +

wird. Daraus ergibt sich, daß dieser Schaltkreis einen Analogrechner für die Gleichung

(οχ² + bx + c) ■ y + d

darstellt.

Die in F i g.7 dargestellte Abwandlungsform unterscheidet sich von dem Rechner nach F i g. 6 dadurch, daß eine zusätzliche Erregerspule 23 vorgesehen ist, die in Reihe mit dem Brückenkreis geschaltet ist, so daß sie vom gleichen Strom I_y durchflossen wird wie die Brücke. Bei dieser Ausführungsform ist, da das auf den Halbleiterkörper 1 einwirkende Magnetfeld die Summe der durch die Ströme I_x und I_y erzeugten Felder darstellt, der Ausgang der gleiche wie derjenige von Fig. 6, mit Ausnahme des den Erregerstrom enthaltenden Gliedes. Der-Ausgang kann in diesem Falle ausgedrückt werden durch eine Gleichung

Diese Vorrichtung erlaubt somit eine analoge Berechnung einer algebraischen Gleichung mit einer Anzahl Veränderlicher der allgemeinen Form

{A (x + ay + bu + cv .. .)² + B (x + ay + bu + cv-\ ) + K) · y + k.

Die Werte der verschiedenen Koeffizienten der Analogrechner gemäß F i g. 6 bis 8 können durch geeignetes Einstellen der Widerstände in den verschiedenen Brückenzweigen, des Betrages des zwischen die Hallklemmen 8 und 9 eingesetzten Widerstandes und des (nicht gezeichneten) Nebenschlußwiderstandes der entsprechenden Erregerspulen festgelegt werden, während das Vorzeichen der Koeffizienten durch die Richtung des durch die Brücke und die entsprechenden Erregerspulen fließenden Stromes sowie durch die Wahl der Ausgangsklemmen des Halbleiterelementes gegeben ist.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Analogrechenschaltung in Form einer Brückenschaltung mit einem Halbleiterkörper, der sowohl einen nach einer quadratischen Kennlinie magnetisch steuerbaren Widerstand als auch den Halleffekt besitzt und zwei Längselektroden sowie mindestens eine Hallelektrode aufweist, und mit einer Erregerspule für den Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) mit den beiden Längselektroden (2, 3) an zwei bezüglich der Einspeisungsdiagonalpunkte in Reihe gelegene Brückenzweige angeschlossen ist und daß nur eine Hallelektrode (8 oder 9) mit der Meßdiagonalen verbunden ist.

2. Analogrechenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (7) in Reihe in die Speiseleitung der Brückenschaltung eingefügt ist.

3. Analogrechenschaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen zu den Stromanschlußklemmen (2, 3) in Reihe geschalteten, einstellbaren Widerstand (10).

4. Analogrechenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (7) für den Halbleiterkörper (1) in einem gesonderten Stromkreis liegt.

5. Analogrechenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Erregerspulen (7, 23 ... 25) für den Halbleiterkörper (1), von denen eine zu den Stromanschlußklemmen (2, 3) in Reihe liegt, während die anderen an besondere Spannungsquellen angeschlossen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Britische Patentschrift Nr. 798 667;

USA.-Patentschriften Nr. 2 587 193, 3 024 997,
024 998;

Siemens-Zeitschrift, 28. Jahrgang, September 1954, Heft 8, S. 376 bis 384.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 588/220 7.68 © Bundesdruckerei Berlin