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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung von
bipolaren Festkörperschaltern, die mindestens einen stabilen hochohmigen und mindestens
einen stabilen niederohmigen Zustand aufweisen und die durch Steuersignale vom einen
Zustand in den anderen bzw. umgekehrt schaltbar sind. Halbleitende Werkstoffe, die
zwei oder mehr stabile Zustände mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften
haben, sind z. B. aus der USA.-Patentschrift 3 241009 bekannt. In dieser Patentschrift
ist eine Familie solcher Werkstoffe beschrieben, die aus Zusammensetzungen der temären
Arsen-Tellur-Jod-Gruppe bestehen und die mindestens zwei stabile Zustände haben,
von denen der eine einen relativ hohen und der andere einen relativ geringen elektrischen
Widerstand hat.
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Für das Verhalten'dieser Werkstoffe hat man lange Zeit keine befriedigenden
Erklärungen gehabt. Es wird jedoch nunmehr angenommen, daß der niederohmige Zustand
sich durch eine kristalline Struktur und der hochohmige Zustand durch eine Struktur
auszeichnet, die zwar örtlich geordnet, jedoch makroskopisch amorph oder polykristallin
ist. Wird der Werkstoff über eine kritische Temperatur erhitzt und danach schnell
abgekühlt; dann hat er keine Gelegenheit, eine geordnete kristalline Struktur zu
bilden, und er bleibt deshalb im Zustand hohen Widerstandes. Wird der erhitzte Werkstoff
von der hohen kritischen Temperatur langsam abgekühlt; dann -geht er in eine geordnete
Kristallstruktur über und nimmt dabei einen Zustand relativ niedrigen Widerstandes
an. Es wird betont, daß diese Werkstoffe makroskopisch homogen sind und, keine Sperrschichten
oder pn-übergänge enthalten. Derartige Bauelemente sind deshalb grundsätzlich zum
Betrieb sowohl bei Gleichstrom als auch bei Wechselstrom geeignet.
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Festkörperschaltelemente mit den oben erläuterten Werkstoffen haben
im allgemeinen die Form eines mit mindestens zwei auseinanderliegenden Elektroden
kontaktierten Körpers aus derartigem Werkstoff. Der Werkstoff befindet sich anfangs
entweder im »Aus«-(hoher Widerstand) oder im »Ein«-(niedriger Widerstand) Zustand.
Wird ein Bauelement mit sich anfangs im »Aus«-Zustand befindlichem Werkstoff mittels
einer an seine Elektrode angelegten- geeigneten Spannung in den »Ein«-Zustand gebracht,
dann wird ein sich zwischen den Elektroden erstreckender Kanal von »Ein«-Werkstoff
gebildet.
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Ähnlich verbleibt nach dem »Einschalten« eines derartigen Bauelements
und anschließendem »Ausschalten« eine Zone von »Ein«-Material innerhalb der Masse
des »Aus«-Materials, das »Ein«-Material bildet jedoch keinen Kanal mehr zwischen
den Elektroden.
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Auf Grund der Tatsache, daß die relativen Mengenverhältnisse des »Ein«-
und »Aus«-Materials dazu neigen, sich sowohl mit der Anzahl der Schaltzyklen des
Schaltelements wie auch mit den Parametern der Steuersignale zu ändern, ist es bisher
nicht möglich gewesen, mit derartigen Bauelementen unter Verwendung relativ einfacher
Schaltmittel eine stabile- Betriebsweise zu erzielen.
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Ein weiterer Nachteil der genannten Schaltelemente besteht darin,
daß Länge, Durchmesser und Lage des leitenden Kanals, der sich beim Einschalten
eines »Aus«-Zustands im Bauelement bildet, sich von Schaltzyklus zu Schaltzyklus
ändert. Dieser Effekt hat zur Folge; daß das Schaltelement in aufeinanderfol genden
Zyklen bei verschiedenen Spannungen und/ oder Strömen ein- und ausschaltet, wobei,
sich von - Zyklus zu Zyklus ein Schwankungseffekt ergibt. Der Effekt hat weiter
zur Folge, daß schließlich das Schaltelement entweder im »Ein«- oder im »Aus«-Zustand
verbleibt, wenn -es in bekannten Schaltkreisen verwendet wird.
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Zur Stabilisierung des Betriebsverhaltens dieser Schaltelemente kann
man sie entweder ein- oder ausschalten mit einem genügend großen Steuersignal, so
daß sichergestellt ist, daß im wesentlichen das gesamte Material des Schaltelements
in den gewünschten Zustand geschaltet wird. Dieser Betrieb im Sättigungszustand
hat sich jedoch nicht als günstig erwiesen, da a) die Schaltgeschwindigkeit begrenzt
ist, b) eine große Energie zum Umschalten erforderlich ist und c) die sich ergebende
große Wärmeentwicklung das Schaltelement zerstören kann.
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Es ist auch schon ein Schaltelement vorgeschlagen worden, bei dem
das gesamte Material umschaltet (deutsche Patentanmeldung ' D 52557 VIIIc/21g).
Bei diesem älteren Vorschlag ist das Material fadenförmig ausgebildet. Auf Grund
des kleinen Durchmessers und der länglichen Form -ist der Kanal =für das »Aus«-
(oder »Ein«-)Material auf einen einzigen Weg beschränkt und nimmt deshalb im wesentlichen
das ganze Volumen des Materials ein. Ein solches Schaltelement ist jedoch hauptsächlich
für Signale mit kleinem Energiegehalt geeignet, da die fadenförmige Struktur notwendigerweise
einen relativ hohen »Ein«-Widerstand hat und da das geringe Volumen des Materials
der Wärmeentwicklung Grenzen setzt.
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- Mit der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung angegeben, mit der-
die bekannten, d. h. - die nicht fadenförmigen Schalfelemente stabil betrieben werden
können und bei dem keine Schwankungen von Schaltzyklus zu Schaltzyklus auftreten.
Diese Aufgabe wird durch eine neue Stabilisierungsschaltung und nicht durch Änderung
des Schaltelements gelöst.
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Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuersignale in Abhängigkeit von mindestens einem sich ändernden Parameter,
z. B. der Schaltspannung des bipolaren Festkörperschalters, geändert werden.
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Die Erfindung wird nun an Hand der Figuren beispielsweise näher erläutert.
Es: zeigt -F i g: 1 ein bipolares Festkörperschaltelement des ungesättigten Typs,
F i g. 2 eine Schaltung zum adaptiven Einschalten des Schaltelements nach F i g.1,,
F i g. 3 die Kennlinien der Schaltung nach F i g. 2, F i g. 4 eine Schaltung zum
nichtadaptiven Ab--schalten des Schaltelements, F i g. 5 die Kennlinien der Schaltung
nach F i g. 4, F i g. 6 eine Schaltung zum Feststellen, ob sich das Schaltelement
im »Ein«- oder »Aus«-Zustand befindet, F i g. 7 ein Blockschaltbild einer Schaltung
zum adaptiven Ausschalten des Schaltelements; F i g. 8 ein ausführliches Blockschaltbild
einer besonders günstigen Schaltung zum adaptiven Ausschalten des Schaltelements,
F i g. 9 Kurvenzüge; die beim Betrieb der Schaltung nach F i g. 8 auftreten.
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F i g.1 zeigt ein typisches Festkörperschaltelement, bei dem eine
Masse 5 des bipolaren Werkstoffes zwischen den Elektroden l und 2 angeordnet ist.
Am Anfang befindet sich die ganze Masse 5 im Zustand hohen Widerstandes, dem »Aus«-Zustand,
bei dem
der Widerstand zwischen den Elektroden 1 und 2 in der Größenordnung
von 1 Megohm oder mehr sein kann. Zum Umschalten wird ein Steuersignal in Form einer
ansteigenden Spannung an die Elektroden 1 und 2 gelegt. Während die Spannung ansteigt,
bleibt das bipolare Material im »Aus«-Zustand so lange, bis die Spannung einen feststellbaren
Schwellwert erreicht. In diesem Zeitpunkt ändert sich schlagartig das Material 5,
so daß sich ein leitender Kanal 3 zwischen den Elektroden bildet. Der wirksame Durchmesser
deff des leitenden Kanals hängt ab von der Wärme, die im bipolaren Material 5 erzeugt
wird. Die Wärme wiederum hängt ab von der Amplitude und von der Dauer des Stromes,
der als Steuersignal verwendet wird. Der effektive Durchmesser des Kanals 3 ist
ein Maß dafür, wie weit das Schaltelement eingeschaltet wurde. Läßt man das Material
5 dann langsam abkühlen, z. B., indem man langsam den Strom verkleinert, dann verbleibt
der Kanal 3 im Zustand niedrigen Widerstandes. Den Grad des Einschaltens kann man
erhöhen, indem man nacheinander Einschaltimpulse anlegt.
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Das Schaltelement nach F i g. 1 kann durch einen Strom ausreichender
Größe ausgeschaltet werden. Der Strom muß so groß sein, daß mindestens ein Teil
des Materials im Kanal 3 im gesamten Querschnitt schmilzt. Wird ein solcher Strom
angelegt und plötzlich abgeschaltet, dann kühlt ein Teil des Kanals 3 sehr schnell
ab und nimmt den amorphen oder polykristallinen Zustand hohen Widerstandes an.
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Hierbei bleibt ein Teil des Materials im Kanal 3 im »Ein«-Zustand,
während der andere Teil des Materials im Kanal in »Aus«-Material umgewandelt wird,
so daß der hohe Widerstand, den das Element vorher zwischen den Elektroden 1 und
2 hatte, wieder vorhanden ist. Der Anteil des »Ein«-Materials 3, der in »Aus«-Material
4 umgewandelt wird, hängt von der Amplitude und der Dauer des Abschaltstromes sowie
von der Kurvenform dieses Stromes ab, die die Abkühlungsgeschwindigkeit des Materials
bestimmt.
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Da das Schaltelement nun einen Teilkanal aus »Ein«-Material aufweist;
bewirkt beim nächsten Mal Einschalten eine kleinere Einschaltspannung die Umwandlung
des Materials 5 zwischen den Elektroden 1
und 2. Entsprechend muß die Einschaltspannung,
die die Umwandlung des Materials bewirkt, höher sein, wenn das Schaltelement vorher
»hart« abgeschaltet wurde, d. h., wenn ein kleinerer Anteil des »Ein«-Materials
3 übrigbleibt. Hieraus ist ersichtlich, daß für einen stabilen Betrieb der Festkörperschaltelemente
Schaltspannungen und/oder Ströme erforderlich sind, die von den vorhergegangenen
Umschaltungen abhängig sind, d. h., es muß die Vergangenheit des Schaltelementes
berücksichtigt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Schaltung vorgesehen,
mit der der Grad der Umschaltung des Festkörperschaltelements geprüft wird und mit
der der Einschaltstrom so geändert wird, daß die jeweils abgefühlten Werte in einen
bestimmten Bereich fallen. Gemäß F i g. 2 ist eine Spannungsquelle E mit dem Festkörperschaltelement
Q über das Widerstandskapazitätsnetzwerk R 1, R 2 und C verbunden. Die Spannung
E ist genügend groß, um das Festkörperschaltelement Q auch dann umzuschalten, wenn
dieses sich im gesättigten »Aus«-Zustand befindet, d. h., wenn im wesentlichen das
ganze Material im Schaltelement aus »Aus«-Material besteht. Wegen der Kapazität
C steigt die Spannung am Element Q mit einer Zeitkonstante R 1 - C allmählich an,
so lange, bis die Durchbruchspannung des Elements Q erreicht ist. An diesem Punkt
schaltet das Element Q um, wobei sich in dem Element ein Kanal aus »Ein«-Material
bildet. Das Element hat dann einen niedrigen Widerstand. Der Spitzenstrom, den die
Schaltung im Moment des Umschaltens liefert, ist etwa VJRV wobei V, die augenblickliche
Spannung am Kondensator C ist. Schaltet das Schaltelement bei einer höheren als
der gewünschten Spannung um, dann ist der Spitzenstrom relativ groß; ähnliches gilt,
wenn das Schaltelement bei einer geringeren als der gewünschten Spannung umschaltet.
Dann ist der Spitzenstrom relativ klein. Da die Durchbruchspannung des Elements
ein Maß für den Anteil des sich im »Aus«-Zustand befindlichen Materials ist, dient
die Schaltung dazu, daß dieser Anteil des im »Aus«-Zustand befindlichen Materials
innerhalb eines gewünschten Bereiches bleibt.
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Die Schaltung arbeitet wie folgt: Es wird angenommen, daß sich das
Festkörperschaltelement am Anfang im gesättigten »Aus«-Zustand befindet, d. h.,
praktisch alles Material s ist im »Aus«-Zustand. Es wird weiter angenommen, daß
die diesem Zustand entsprechende Durchbruchsspannung etwa 110 V ist und daß die
Quelle E eine Gleichspannung von etwa 200 V liefert. Wird der Schalter S1 geschlossen,
dann steigt die Spannung am Kondensator C und infolgedessen auch am Element Q (da
sich das Element Q im nichtleitenden oder »Aus«-Zustand befindet, fällt praktisch
keine Spannung am Widerstand R2 ab) von 0 auf die Spannung von 200 V mit einer Zeitkonstante
RiC an. Im Ausführungsbeispiel ist R1 5100 Ohm; R2. 1500 Ohm und C 80 Mikrofarad.
Ist eine Spannung von 110V am Kondensator C vorhanden, schaltet das Element Q um.
Nimmt man an, daß der Widerstand R, des Elements Q nach dem Umschalten etwa 200
Ohm ist (der »Ein«-Widerstand des Elements Q ist nichtlinear und stromabhängig);
dann ist der Spitzenstrom, der durch das Element fließt, 110 V geteilt durch 1700
Ohm =etwa 65 mA. Die F i g. 3 a und 3 b zeigen den Verlauf der Spannung und des
Stromes bezüglich des Elements Q während des Einschaltens.
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Unmittelbar nach dem Umschalten sinkt die Spannung am Element auf
einen Restwert V"", der durch die Stromkreisparameter und den »Ein«-Widerstand des
Elements bestimmt ist. Der Strom durch das Element sinkt vom Spitzenwert von etwa
65 mA auf einen Ruhewert, der gleich E/(Ri -i- R2 -f- R.) oder etwa 200/6000 = 29
mA ist. Der Zeitpunkt, zu dem das Element Q anfängt umzuschalten, ist in der Fig.
3 mit t" bezeichnet. Wird danach der Schalter S1 nach einer Zeit tb geöffnet, dann
klingen die Spannung und der Strom am bzw. durch das Element Q auf Null ab. Es ist
erforderlich, daß der Strom durch das Element Q relativ langsam abklingt; so daß
sich im Element einer oder mehrere Kanäle aus im »Ein«-Zustand befindlichen Material
bilden, so daß das Element im »Ein«-Zustand bleibt, wenn die Steuersignale abgeschaltet
werden. Durch den Kondensator C wird dieses allmähliche Abklingen erreicht. Die
Zeitkonstante ist (R2 -f- RQ)C. Die Abklingzeit muß vorzugsweise ein Minimum von
100 ms betragen. Der wirksame Durchmesser doff des Kanals, der aus »Ein«-Material
besteht, hängt ab von der Fläche unter dem Strom nach F i g. 3 b, die wiederum vom
Spitzenwert des Stromes durch das Element abhängt.
Da. ein relativ
großer Spitzeneinschaltstrom (65 mA) angelegt wurde, ist der wirksame Durchmesser
deff des »Ein«-Kanals 3 (F i g. 1) ziemlich groß. Daher ergibt sich eint relativ
großer Anteil von »Ein«-Material innerhalb des »Aus«-Bereiches 4, wenn das Element
danach durch eine nichtadaptive Schaltung abgeschaltet wird. Dieser verbleibende
»Ein« Bereich verkleinert die Durchbruchspannung des Elements Q; wenn es das nächste
Mal eingeschaltet wird':--Es wird angenommen, daß das Element Q auf diese Weise
abgeschaltet wird, wobei sich aus dem Grad der Abschaltung nun eine niedrigere Durchbruchspannurig,
beispielsweise 50 V, :ergibt. Der Spitzenstrom, den die Schaltung nach F i g. 2
liefert, wenn danach das Element wieder eingeschaltet wird; ist dann etwa 50 V11700
Ohm = 29- mA. Es sei daran erinnert, daß bei einer Durchbruchspannung von 110 V
ein Strom von 65 mA Floß. Es ergibt sich also; daß je mehr sich das Element im »Aus«-Zustand
befindet, desto mehr ist die adaptive Schaltung nach F i g. 2 bestrebt, es einzuschalten.
Ähnlich verhält sich das Element, wenn es weniger als erwünscht aus-'geschaltet
ist; dann ist die Schaltung nach F i g. 2 weniger bestrebt, das Schaltelement einzuschalten,
wodurch sich ein größerer Anteil im »Aus«-Zustand befindlichen Materials ergibt,
wenn das Element das nächste Mal ausgeschaltet wird.
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Man sieht aus den Fig. 2 und 3; däß das maximale Adaptionsvermögen
der Schaltung sich dann ergibt, wenn man entsprechend den Stromkreiseigenschaften
ein möglichst großes Verhältnis von Spitzenstrom zu Ruhestrom wählt. Da der Ruhestrom
etwa gleich El(Ri -I- R2 -I- R9) ist, während der maximale Spitzenstrom E7(R2.+
RQ) geschlossen ist, ist es erwünscht, daß R1 wesentlich größer als R2 ist. -F i
g. 4 zeigt eine einfache , Schaltung zum Abschalten des Elements Q, nachdem es durch
die adaptive. Schaltung nach F i g. 2 eingeschaltet wurde. Die Werte von E' und
R2 sind so gewählt, daß ein ausreichender- Strom durch das im »Ein«-Zustand befindliche
Element Q fließt, so daß mindestens ein Teil der leitenden Wege 3 (F i g. 1) innerhalb
des Elements Q im ganzen Querschnitt schmilzt bzw. unterbrochen wird: Der Schalter
S2 wird nach einer kurzen Zeit, z. B. nach 5 ms, geschlossen, so daß der Strom durch
das Element Q abrupt unterbrochen wird. Durch dieses abrupte Abschalten wird erreicht,
daß das Element Q seinen »Aus«-Zustand annimmt, da das Element zu schnell abkühlt,
um eine geordnete Kristallbildung zu ermöglichen, so daß keine vollständigen leitenden
Wege zwischen den Elektroden gebildet werden. Die zu F i g. 4 gehörigen Kennlinien
zeigt F i g5. Der Abschaltstrom kann beispielsweise 52 mA sein. Die Spannung am
Element Q' während des Abschaltens ist etwa gleich dem Spitzenstrom multipliziert
mit dem effektiven »Ein«-Widerstand des Elements, der in der Größenordnung von 200
Ohm sein kann, wobei allerdings dieser Widerstand während des Abschaltens sich wesentlich
ändert. Die Spannung, die an Q auftritt, wenn ein Abschaltestrom von 250 mA verwendet
wird, liegt in der Größenordnung von 40 bis 50 V.
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Fi g. 2 zeigt eine Schaltung, die das Festkörper-Schaltelement adaptiv
einschaltet. Es ist jedoch auch möglich, eine Schaltung zu verwenden, bei der das
Festkörperschaltelement adaptiv abgeschaltet wird. Wird- eine Schaltung . zum adaptiven
Abschalten verwendet; so setzt man zum Einschalten im allgemeinen nichtadaptive
Schaltungen ein, beispielsweise die Schaltung nach F i g. 14 der USA.-Patentschrift
3.241009.
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Der Anteil des im »Aus«-Zustand befindlichen Materials kann annähernd
festgestellt werden, indem der Wert der erforderlichen Einschaltspannung festgestellt
wird. Es gibt jedoch kein einfaches Verfahren zum Feststellen des Grades des »Ein«-Zustandes
(der durch den effektiven Durchmesser deff des leitenden Kanals gegeben ist), durch
das das adaptive Abschalten ermöglicht würde. Deshalb muß eine adaptive Abschaltanordnung
einen bestimmten Abschaltimpuls an das Element liefern, danach der Grad der Abschaltung
messen und danach einen anderen Ab-Schaltimpuls abgeben, wenn der festgestellte
Grad der Abschaltung nicht genügend hoch ist. Diese Impulsfolge wird so lange wiederholt,
bis der gewünschta Grad des Abschaltens erreicht ist.
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- F i g. 7 zeigt eine adaptive Anordnung zum Abschalten. Bei dieser
ist eine Abfühlanordnung 6 für die Durchbruchspannung 'mit dem Schaltelement über
eine Steuerlogik 9 verbunden, mit deren anderen Impuls ein Ausschaltimpulsgenerator
8 verbunden ist. Das Steuersignal 9 dient zum Auslösen des Ausschaltvorganges: Nach
einem Ausschaltsignal 9 verbindet die Steuerlogik? den Abschaltimpulsgenerator8
mit dem Element Q. -Der Abschaltimpulsgenerator 8 gibt dann einen rechteckigen Impuls
mit fester Amplitude und Dauer zum Element Q; der Abschaltimpuls kann z. B. eine
Amplitude von 250 mA und eine Dauer von 5 ms haben.- Nach dem Ende des Abgchalt-Impulses
verbindet die Steuerlogik 7 die Abfühleinrichturig 6 für die Durchbruchspannung
mit dem Element Q, so daß die Abfühlschaltung feststellen kann, ob die Durchbruchspannung
des Elements Q innerhalb des gewünschten Bereiches liegt. Wenn die Durchbruchspannung
innerhalb des gewünschten Bereiches liegt, schaltet die Steuerlogik 7 die Abfühleinrichtung
6 und den Generator 8 vom Element Q ab. Stellt jedoch die Abfühleinrichtung fest,
daß- die Durdhbruchspannung geringer als der gewünschte Wert ist, verbindet sie
den Abschaltimpulsgenerator wiederum mit dem Element Q; so daß ein weiterer Abschältimpuls
auf dieses gelangt. Die Durchbruchspannung wird widerum abgefühlt, und der Zyklus
wiederholt sich so lange; bis der- gewünschte Grad des »Aus«-Zustandes erreicht
ist.
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F i g. 8 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild einer adaptiven Abschaltschaltung,
die nach dem- in Zusammenhang mit der F i g. 7 beschriebenen Verfahren arbeitet:
Eine Zuordnung der Bauteile der F i g. 8 zu den Blöcken der F i g. 7 ist nicht gegeben.
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Ein Taktimpulsgenerator 10 -erzeugt eine Impulsfolge, bei der der
Impulsabstand wesentlich größer ist als die Dauer der Abschaltimpulse. Die Abschaltimpulse
haben beispielsweise eine Dauer von 5 ms. Der Abstand zwischen den Taktimpulsen
kann in der Größenordnung von 10 bis 25 ms liegen.
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Das Abschaltsignäl9 dient zum Anschalten des Relais RL1, wodurch dessen
Kontakte geschlossen werden. Nach dem Schließen der Kontakte wird die Batterie 15
mit einem Differenzierglied 13 verbunden: Ein. plötzlicher Potentialwechsel am Eingang,
des Differenziergliedes bewirkt, daß das- Glied einen steilen Impuls im Augenblick
des Schließens der Relaiskontakte abgibt. Dieser einzelne Impuls - G in F i g: 9
- triggert=.den Sperrschwinger 16, der darauf
einen Abschaltimpuls
abgibt, der zum bipolaren Festkörperelement Q gelangt. Dieser erste Abschaltimpuls
bewirkt, daß das Schaltelement Q einen gewissen Grad des »Aus«-Zustandes annimmt.
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Nimmt man an, daß dieser anfängliche Grad des »Aus«-Zustandes einer
Durchbruchspannung V" entspricht, dann geschieht folgendes: Der nächste vom Taktimpulsgenerator
gelieferte Impuls triggert die monostabile Kippschaltung 12 und den Sägezahngenerator
11. Die Impulslänge des von der monostabilen Kippschaltung 12 erzeugten Impulses
ist so gewählt, daß beim Ende des Impulses die Amplitude der Sägezahnspannung am
Schaltelement gleich der Durchbruchspannung Vd ist, die dem gewünschten Grad des
»Aus«-Zustandes des Elements Q entspricht, den die Schaltung erzeugen soll.
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Wenn die Sägezahnspannung am Element Q ansteigt, schaltet das Element
bei einer Spannung V" entsprechend dem Anfangsgrad des »Aus«-Zustandes um. Der plötzliche
Spannungsabfall an den Klemmen des Schaltelements beim Umschalten wird von der Differenzierstufe
17 über die Diode CR 1 ausgewertet, so daß am Ausgang der Differenzierstufe ein
steiler negativer Impuls im Augenblick des Umschaltens auftritt. Da zu diesem Zeitpunkt
der Ausgangsimpuls der monostabilen Kippschaltung 12 am Eingang der Torschaltung
14 vorhanden ist, wird das Differenzierglied über die Torschaltung 14 zum Sperrschwinger
16 durchgeschaltet und triggert diesen. Der Sperrschwinger 16 erzeugt dann
einen weiteren Abschaltimpuls, um den Grad des »Aus«-Zustandes des Elements Q weiter
zu erhöhen. Die Diode CR 1 verhindert, daß dieser Abschaltimpuls zurück zum Differenzierglied
17 gelangt.
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Nimmt man an, daß dieser zusätzliche Abschaltimpuls den Grad des »Aus«-Zustandes
des Elements Q auf eine höhere Durchbruchspannung Vb vergrößert hat, dann steigt
der nächste Impulszug der Sägezahn-, Spannung an den Klemmen des Schaltelements
(nach dem Triggern des Sägezahngenerators durch den nächsten Taktimpuls) auf einen
Wert Vb, ehe die Spannung plötzlich abfällt, wenn das Schaltelement umschaltet.
Danach wird wiederum der entsprechende Impuls vom Differenzierglied 17 über die
Torschaltung 14 zum Sperrschwinger 16 geleitet; dieser wird getriggert und liefert
einen weiteren Abschaltimpuls. Dieser Vorgang dauert an, so lange, bis der Grad
des »Aus«-Zustandes des Elements Q einer Durchbruchspannung größer als Vb dem gewünschten
Wert entspricht. Schaltet das Element Q nun bei einer Spannung, die größer als Vd
ist, um, dann wird der vom Differenzierglied erzeugte Impuls nicht mehr durch die
Torschaltung 14 hindurchgelassen, da der Impuls der monostabilen Kippschaltung 12
zu Ende ist.
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Wie man aus F i g. 9 sieht, enthält die Spannung F (F i g. 8) an den
Klemmen des Schaltelements positive Teile, die den verschiedenen Impulszügen der
Sägezahnspannung entsprechen und negative Teile, die den Abschaltimpulsen, die vom
Sperrschwinger 16 erzeugt werden, entsprechen. Sogar wenn eine positive Sägezahnspannung
zum Abtasten der Durchbruchspannung und eine negative Spannung zum Abschalten des
Elements verwendet wird, ist dieses im wesentlichen unempfindlich gegenüber den
unterschiedlichen Polaritäten, und aus diesem Grunde schaltet es unter diesen Umständen
einwandfrei. Der Widerstand R5 sollte so gewählt werden, daß der vom Sägezahngenerator
11 beim Umschalten des Schaltelements Q gelieferte Strom nicht ausreicht, um den
Zustand des Schaltelements zu ändern.
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Zusätzlich zu den beschriebenen Beispielen des adaptiven Einschaltens
in Verbindung mit konventionellem Abschalten und umgekehrt kann man auch adaptive
Schaltungen sowohl zum Einschalten als auch zum Ausschalten verwenden. Die Schaltungen
gemäß der Erfindung können auch hierzu verwendet werden.
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F i g. 6 zeigt eine Schaltung, die zum Abfragen des Schaltelements
Q dient, um festzustellen, ob es sich im »Ein«- oder »Aus«-Zustand befindet. Diese
Schaltung ist vorzugsweise dann von Nutzen, wenn das bipolare Festkörperschaltelement
als Speicher verwendet wird. Es wurde experimentell festgestellt, daß bipolare Festkörperschaltelemente,
wie sie in der USA.-Patentschrift 3 241009 beschrieben sind, ihren »Ein«-Zustand
nicht unbeschränkt lange beibehalten, d. h., sie gehen teilweise in den »Aus«-Zustand
über. Unter Zugrundelegung des Modells nach F i g. 1 nimmt man an, daß winzige Unterbrechungen
im leitenden Kanal 3 des im »Ein«-Zustand befindlichen Materials hierbei auftreten.
Immer dann, wenn eine solche Unterbrechung auftritt, muß der leitende Weg zwischen
den Elektroden 1 und 2 die Unterbrechung dadurch überbrücken, daß er über einen
kleinen Bereich von im »Aus«-Zustand befindlichen Materials in der Nähe der Fehlerstelle
verläuft.
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Es wurde außerdem festgestellt, daß der teilweise Übergang in den
»Aus«-Zustand, der bei bipolaren Festkörperschaltelementen, die in den »Ein«-Zustand
gebracht wurden und dort belassen wurden, einem Grenzwert entsprechend einer kritischen
Durchbruchspannung sich annähert. Läßt man das Element weiter altern, dann ist der
»Ein«-Zustand gekennzeichnet durch einen teilweisen »Aus«-Zustand, dessen Durchbruchspannungen
näher und näher am kritischen Wert liegen. Es ist deshalb notwendig, um sicher festzustellen,
ob sich das Schaltelement im »Ein«-oder »Aus«-Zustand befindet, die Durchbruchspannung
zu messen, um festzustellen, ob der kritische Wert überschritten wurde.
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Diese Messung kann durchgeführt werden, indem man eine Spannung E"
(F i g. 6) an das Schaltelement Q über einen geeigneten Widerstand anlegt. Die Spannung
E" sollte gleich dem kritischen Wert, wie er oben definiert wurde, sein. Schaltelemente
nach der USA.-Patentschrift 3 241009 haben kritische Spannungen in der Größenordnung
von 50 V. Der Abfragestrom sollte dabei kleiner als der maximal zulässige Einschaltstrom
sein. Im anderen Fall kann der Abfragestrom das Schaltelement so hart einschalten,
daß es schwierig oder unmöglich ist, es wieder auszuschalten.
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Der Widerstand R4 in F i g. 6 begrenzt den Abfragestrom auf den gewünschten
Wert. Das Relais K stellt Strom oder Nicht-Strom durch das Schaltelement Q fest
und betätigt Anzeigelampen P1 und P, für den Schaltzustand des Elements.
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Wegen des teilweisen Abschalteffekts, der bei eingeschalteten Festkörperschaltelementen
auftritt, wird die Unterscheidung zwischen dem »Ein«- und dem »Aus«-Zustand schwierig.
Der »Ein«-Zustand kann dann durch eine Durchbruchspannung kleiner als der vorhin
erwähnte kritische Wert sein, während der »Aus«-Zustand durch eine Durchbruchspannung
größer als der kritische Wert gekennzeichnet ist. Die
Abfragespannung
E" sollte im wesentlichen gleich dem, kritischen Wert sein, da sonst Festkörperschaltelemente
im »Ein«-Zustand, die teilweise in den »Aus«-Zustand umgeschaltet haben, nicht richtig
erfaßt werden. Ist E" zu groß, kann die Abfrageschaltung Schaltelemente, die sich
im »Aus«-Zustand befinden, einschalten. Die Abfrageschaltung dient lediglich dazu,
zu bestimmen, in welchem der beiden Zustände sich das Schaltelement befindet und
nicht zum Ändern des Schaltzustandes, d. h. nicht zum Umschalten zwischen dem »Ein«-
und »Aus«-Zustand, wie er oben definiert wurde.