DE977455C - Schaltungsanordnung mit Kristalltriode zur Ausloesung eines Relais - Google Patents

Description

Die Verwendung von Kristalltrioden, beispielsweise von Germaniumtrioden, zur Verstärkung energiearmer elektrischer Signale ist bekannt. Beispielsweise können energiearme, elektrische Signale so weit verstärkt werden, daß ein normales Relais zum Ansprechen gebracht wird. Wegen der ständigen Betriebsbereitschaft und des geringen Energiebedarfs eignen sich besonders Germaniumtrioden als Verstärkerelemente in Relaisanordnungen. Soll ein Relais auf geringe Wechselstromsignale hin ansprechen, so bietet demnach die notwendige Verstärkung dieser Wechselstromsignale durch Germaniumtrioden keine Schwierigkeiten. Häufig treten in der Technik jedoch nur geringfügige Gleichstromänderungen, beispielsweise Photoströme, auf, die als in Widerstandsänderungen umgesetzte Signale zur Auslösung eines Relais herangezogen werden sollen. Um eine Auslösung des Relais zu bewirken, müssen die geringfügigen Gleichstromänderungen ebenfalls verstärkt werden. Für eine Verstärkung von Gleichströmen sind jedoch die Germaniumtrioden weniger gut geeignet, da, um nennenswerte Verstärkungen zu erzielen, schwer herstellbare Trioden mit sehr hohem Stromverstärkungsfaktor erforderlich sind. Überdies weisen die Trioden bei niedrigeren Frequenzen einen frequenzabhängigen Rauschanteil, den sogenannten Funkeleffekt, auf. Das mittlere Rauschspannungsquadrat einer Triode pro Hz Bandbreite nimmt umgekehrt mit der Frequenz zu. Aus diesem Grunde ist die Übertragung der Frequenz Null durch den Funkeleffekt begrenzt.

Zur Erzeugung von sinusförmigen Schwingungen ist bereits eine Schaltungsanordnung einer Kristalltriode bekannt, bei welcher in der Basiszuleitung ein Schwingkreis und in der Emitter- und Kollektorzuführung je ein Widerstand liegt.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit Kristalltriode zur Auslösung eines Relais durch in Widerstandsänderungen umgesetzte Signale mittels Verschiebung des ausgangsseitigen ίο Gleichstromarbeitspunktes der Kristalltriode durch das Einsetzen oder Abreißen einer Schwingung im instabilen Arbeitsbereich der Kristalltriode, bei welcher in der Basiszuleitung ein Rückkopplungsschwingkreis S, in der Emitterzuleitung ein Widerstand Rß und in der Kollektorzuleitung ein Widerstand R_c Hegt, und besteht darin, daß die Basiselektrode B durch eine mit einer den Gleichstrom abblockenden Kapazität C in Reihe liegenden Impedanz 3t entweder mit der Emitterelektrode E oder mit der Kollektorelektrode K unmittelbar verbunden ist und daß an der Emitterelektrode £ die Spannung Null oder eine kleine negative Vorspannung gegenüber der Basiselektrode liegt, so daß eine geringe Änderung des in der Emitterzuleitung liegenden Widerstandes R_E und/oder eine geringe Änderung der in Reihe zur Kapazität C liegenden Impedanz St einen Kollektorstrom bewirkt, der zur Auslösung eines Relais dient.

Mit der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung gelingt es, die bei bekannten Anordnungen auftretenden Schwierigkeiten zu vermeiden und außerdem eine Relaisauslösung besonders hoher Empfindlichkeit zu erreichen. Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung weist weiterhin den Vorteil auf, daß das Einsetzen und Abreißen der durch die Verschiebung des eingangsseitigen Gleichstromarbeitspunktes bewirkten Kristalltriodenschwingung völlig stabil erfolgt.

An Hand der Ausführungsbeispiele in den Fig. 1, 3 und 4 wird der schaltungstechnische Aufbau gemäß der Erfindung dargestellt und unter Zuhilfenahme der in Fig. 2 gezeigten graphischen Darstellung die Wirkungsweise der Erfindung erläutert. In den Ausführungsbeispielen tragen gleiche Schaltungselemente, die auch dieselben Funktionen ausüben, gleiche Bezeichnungen.

Im Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung in Fig. 1 ist eine Germaniumtriode mit ihrer Emitterelektrode E, ihrer Kollektorelektrode K und ihrer Basiselektrode B dargestellt. In der Emitterzuleitung liegt der Widerstand R_E mit einem parallelgeschalteten Kondensator. Der Widerstand R_c in der Kollektorzuleitung kann beispielsweise durch die Wicklung eines zu betätigenden Relais gebildet sein. Der Widerstand in der Basiszuleitung wird durch einen Schwingkreis 5" gebildet. Zwischen die Emitterelektrode E und die Basiselektrode B ist eine Reihenschaltung aus einer Impedanz 3Ϊ und einer Kapazität C geschaltet. Die Impedanz 9ΐ ist vorzugsweise ein rein ohmscher Widerstand R. Die in Reihe dazu geschaltete Kapazität C verhindert einen Gleichstromfluß über diese Impedanz 91. Die Emitterelektrode E weist bei einer Kristalltriode vom η-Typ gegenüber der Basiselektrode B eine Spannung Null oder eine kleine negative Vorspannung auf. Das charakteristische Verhalten von Kristalltrioden ist durch das ohmsche Verhalten der Stromverstärkungstrioden in einzelnen unterschiedlichen Bereichen gekennzeichnet. Beispielsweise zeigt eine Kristalltriode mit α > ι im Sperrbereich einen hochohmigen differentiellen Widerstand

—T-r-

während im Durchlaßbereich ein nie-

derohmiger Widerstand auftritt und zwischen diesen beiden bevorzugten Bereichen ein instabiler Übergangsbereich mit negativem Widerstandsverhalten vorliegt. Eine in diesem instabilen Bereich betriebene Kristalltriode schwingt. Das Einsetzen oder Abreißen der Schwingung der Kristalltriode im instabilen Arbeitsbereich läßt sich gemäß der Erfindung durch sehr kleine Änderungen des Emitterstromes hervorrufen. Durch die erregte Schwingung wird der ausgangsseitige Gleichstromarbeitspunkt des Kollektors, der durch den mittleren Strom- und Spannungswert des Kollektors gegeben ist, beträchtlich verschoben. Mit dem Einsetzen der Schwingung wird die Spannung am Kollektor erheblich herabgesetzt, während der Kollektorstrom um etwa 1 bis 2 mA zunimmt. Bei einem Widerstand R_c in der Kollektorzuleitung von der Größe 2 kOhm entspricht das einer Leistungsabgabe von 2 bis 8 mW, die zur Auslösung eines Relais vollkommen ausreicht. Die durch die Erregung der Schwingung entstehende Wechselstromenergie ist im allgemeinen geringer. Sie beträgt etwa den vierten Teil der Gleichstromenergie und kann gleichgerichtet zur weiteren Vermehrung der Gleichstromenergie dienen. In besonderen Fällen kann die zur Relaisbetätigung verfügbare Ausgangsleistung der Kristalltriode weiter erhöht werden, indem die Wechselstromenergie durch weitere Stufen mit Kristalltrioden oder auch mit Röhren in bekannter Weise weiter verstärkt wird. Um ein übliches Relais zum Ansprechen zu bringen, reicht jedoch die nach der Erfindung vorgenommene Gleichstromarbeitspunktverschiebung auf der Ausgangsseite aus. Die im Emitterkreis aufzubringende Stromänderung, die notwendig ist, um eine Triode, wie sie für die der Erfindung zugrunde liegende Untersuchung verwendet wurde, aus dem Ruhezustand in den Schwingzustand zu versetzen, liegt in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 mA. Die Anordnung hatte bei einem Widerstand des Emitterkreises von etwa 400 Ohm eine Leistungsaufnahme von etwa 4 bis I6μW, was einem Leistungsgewinn von etwa 30 db entspricht. Der Rauschpegel der Kristalltriode ist dabei vernachlässigbar klein. Ein scharfes Einsetzen und Abreißen der Schwingung einer Kristalltriode vom η-Typ, beispielsweise einer Germaniumtriode, wird dadurch erreicht, daß an der Emitterelektrode E gegenüber der Basiselektrode die Spannung Null oder eine kleine negative Vorspannung liegt. Die Triode schwingt dann nur in einer Halbwelle einer Sinusschwingung oder in einem Bruchteil davon, während der Emitter in

der anderen Halbwelle als Gleichrichter wirkt. Durch entsprechende Wahl der Widerstände in der Basis-, Emitter- und in der Kollektorzuleitung können die gewünschten Potentialverhältnisse an der Emitter- und Basiselektrode hergestellt werden. Um die Anordnung gemäß der Erfindung betriebsbereit zu machen, ist es demnach notwendig, die Emitterelektrode gegenüber der Basiselektrode gering negativ vorzuspannen oder zumindest auf ίο gleiches Potential zu legen. Dadurch bewirkt sowohl eine Verkleinerung des in der Emitterzuleitung liegenden Widerstandes R_E als auch eine Vergrößerung der Impedanz 5R zwischen Emitter- und Basiselektrode ein Anheben des Emitterpotentials gegenüber dem Potential der Basis. Ein noch so geringer positiver Potentialunterschied der Emitterelektrode gegenüber der Basiselektrode verschiebt den Eingangsarbeitspunkt auf der Emitterstromspannungskennlinie in den instabilen Bereich, in

ao welchem die Kristalltriode schwingt. Ein kleiner Emitterstrom, der Signalstrom, bewirkt demnach den Einsatz einer Schwingung der Kristalltriode, die zur Verlagerung des Kollektorarbeitspunktes führt und ein entsprechend zugeschaltetes Relais zum Ansprechen bringt. Als besonders empfindlich erweist sich die Schaltungsanordnung nach der Fig. ι für kleine Änderungen des Widerstandes R_E in der Emitterzuleitung und insbesondere auch für kleine Änderungen der Impedanz 3Ϊ.

Die Darstellung in Fig. 2 erläutert den Zusammenhang zwischen dem Schwingungszustand der Kristalltriode und Änderungen der beispielsweise einen ohmschen Widerstand R darstellenden Impedanz JTi und des Widerstandes R_E in der Emitterzuleitung. Wird der Widerstand R bei konstantem Wert Rg vergrößert, so setzt bei einem bestimmten Wert, z. B. R", die Schwingung ein. Verkleinert man schließlich den Widerstand R bei konstantem Wert R_I;, so reißt bei dem Wert R' die Schwingung ab. Das gleiche gilt für die Änderung des Widerstandes R_n bei konstantem Wert R. So liegt beispielsweise der Schwingungseinsatz bei dem Wert R_E" und das Abreißen der Schwingung bei dem Wert R_E', wenn R bei dem Wert R" konstant bleibt. Innerhalb des von den Grenzen G₁ und G₂ eingeschlossenen Streifens sind beide Zustände der Germaniumtriode, d. h. sowohl der Schwingungsais auch der Ruhezustand, möglich.

Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Zusammenhang können sehr kleine Änderungen des Widerstandes R genügen, um ein stabiles Abreißen oder Einsetzen der Schwingung der Germaniumtriode zu bewirken. Die erforderliche geringe Änderung des einzelnen Widerstandes kann noch weiter herabgesetzt werden, wenn gleichzeitig beide Widerstände, nämlich der Widerstand in der Emitterzuleitung R_E und der Widerstand R bzw. die Impedanz 5R entsprechend eines oder mehrerer Signale geändert werden. Allerdings müssen dabei, um ein Ansprechen des Relais zu gewährleisten, die Widerstandsänderungen entgegengesetzt verlaufen. Die in Fig. 2 wiedergegebenen Kurven sind in gewissen Grenzen von der benutzten Frequenz sowie von der Art und der Güte der Germaniumtriode abhängig. Bei der Kristalltriode, die für die der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen verwendet wurde, hat sich eine Schwingungskreisfrequenz von etwa 70 kHz als günstig erwiesen. Germaniumtrioden mit großem Stromverstärkungsfaktor schwingen besonders stark, so daß es sich empfiehlt, einen kleinen Dämpfungswiderstand R_m (10 bis 100 Ohm), wie in Fig. 3 dargestellt, in die Basiszuführung zu legen und so weit zu vergrößern, bis das Einsetzen und Abreißen der Schwingung stabil erfolgt. Eine gleiche Wirkung wird durch eine kleine negative Vorspannung am Emitter erzielt. Das in Fig. 3 gezeigte Beispiel einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung weist einen solchen Widerstand i?_ni in der Basiszuleitung auf.

Der Darstellung in Fig. 2 kann weiter entnommen werden, daß die Abnahme des Widerstandes R das Aussetzen und die Verkleinerung des Widerstandes R_E das Einsetzen der Schwingung der Triode hervorruft. Soll durch Widerstandszunahme sowohl das Einsetzen als auch das Abreißen der Schwingung der Kristalltriode hervorgerufen werden, so kann das Einsetzen der Schwingung durch ein Vergrößern des Widerstandes R und das Aussetzen der Schwingung durch ein Vergrößern des Widerstandes R_E erreicht werden.

Mittels zweier Germaniumtrioden, die mit gleichen Widerständen ausgerüstet sind, kann eine Relaisauslösung erfolgen, sobald ein gewisser Wider- Standsbereich nach oben oder nach unten überschritten wird. Während eines Betriebszustandes des Relais befindet sich die eine Kristalltriode im Schwingungszustand und die andere im Ruhezustand. Beide arbeiten dabei unabhängig voneinander auf dasselbe Relais. Die Relaisbetätigung erfolgt durch eine gleichartige Änderung der Impedanz 5R oder des Widerstandes R_E jeder der beiden Kristalltrioden. Wird dagegen die Impedanz 9ΐ der einen Kristalltriode und der Widerstand R_E der anderen Kristalltriode als jeweiliger Auslösungswiderstand verwendet, SO' werden sich während eines bestimmten Betriebszustandes des Relais beide Kristalltrioden im gleichen Zustand, entweder im Schwingzustand oder im Ruhezustand, befinden.

Die Impedanz kann als ohmscher, kapazitiver oder induktiver Widerstand ausgebildet sein, so daß als Widerstandsänderung außer den ohmschen auch kleine Kapazitäts- oder Induktivitätsänderungen auftreten können. Der Wert des Widerstandes R kann zweckmäßig im Bereich von 0,5 bis 2 kOhm liegen. Es steht somit ein weiter Bereich für die Wahl dieses auslösenden Widerstandes zur Verfügung.

In Fig. 4 ist noch eine weitere Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung gezeigt, bei der die Basiselektrode B durch den mit der Kapazität C in Reihe liegenden Widerstand R bzw. die Impedanz 5R nicht mit der Emitterelektrode E, sondern mit der Kollektorelektrode K unmittelbar verbunden ist. Zwischen der Änderung des Widerstandes R bzw. der Impedanz 3ΐ in dieser Anordnung und der An-

derung des Widerstandes R_E besteht ein ähnlicher Zusammenhang, wie er an Hand der Darstellung in Fig. 2 für die Änderung des Widerstandes R_E und eines Basis und Emitter verbindenden, mit einem Kondensator C in Reihe liegenden Widerstandes R bzw. der Impedanz JR erläutert wurde. Der Wert eines zwischen Basis und Kollektor in Reihe zu einem Kondensator C liegenden Widerstandes R bzw. Impedanz St kann zweckmäßig zwischen 2 ίο und 20 kOhm liegen.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Schaltungsanordnung mit Kristalltriode zur Auslösung eines Relais durch in Widerstandsänderungen umgesetzte Signale mittels Verschiebung des ausgangsseitigen Gleichstromarbeitspunktes der Kristalltriode durch das Einsetzen oder Abreißen einer Schwingung im instabilen Arbeitsbereich der Kristalltriode, bei welcher in der Basiszuleitung ein Rückkopplungsschwingkreis (S), in der Emitterzuleitung

   as ein Widerstand (Re) und in der Kollektorzuleitung ein Widerstand (R_c) liegt, dadurch gekenn zeichnet, daß die Basiselektrode (B) durch eine mit einer den Gleichstrom abblockenden Kapazität (C) in Reihe liegende Impedanz (iR) entweder mit der Emitterelektrode (E) oder mit der Kollektorelektrode (K) unmittelbar verbunden ist und daß an der Emitterelektrode (E) die Spannung Null oder eine kleine negative Vorspannung gegenüber der Basiselektrode liegt, so daß eine geringe Änderung des in der Emitterzuleitung liegenden Widerstandes (Re) und/oder eine geringe Änderung der in Reihe zur Kapazität (C) liegenden Impedanz (UR) einen Kollektorstrom bewirkt, der zur Auslösung eines Relais dient.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in der Basiszuleitung ein Dämpfungswiderstand (Rju) liegt.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleich-Stromänderung auf der Kollektorseite durch Gleichrichtung der verstärkten Schwingung der Kristalltriode vergrößert wird.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kristalltrioden unabhängig voneinander so auf dasselbe Relais arbeiten, daß sich in einem bestimmten Betriebszustand des Relais die eine Kristalltriode im Schwingzustand und die andere im Ruhezustand befindet und daß die Relaisbetätigung durch eine gleichartige Änderung der Impedanz (£R) oder des Widerstandes (R_E) in der Emitterzuleitung jeder der beiden Kristalltrioden bewirkt wird.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kristalltrioden unabhängig voneinander so auf dasselbe Relais arbeiten, daß sich in einem bestimmten Betriebszustand des Relais beide Kristalltrioden im Schwingzustand oder im Ruhezustand befinden und daß die Relaisbetätigung durch gleichartige Änderung der Impedanz (JR) der einen Kristalltriode und des Widerstandes (R_E) in der Emitterzuleitung der anderen Kristalltriode bewirkt wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Britische Patentschrift Nr. 349 584; USA.-Patentschrift Nr. 2208455;

   Zeitschrift für Physik, Bd. 89, 1934, S. 826 bis 833;

   Zeitschrift »ETZ«, 71, Jahrgang 1950, S. 133 bis 137;

   Zeitschrift »RCA Review«, Bd. 10, März 1949, S. 14;

   Zeitschrift »Bell System Technical Journal«, Juli 1949, S. 394;

   Mitteilungen der deutschen Patentanwälte, 48, 1957, S. 81 bis 83;

   Geffcken und Richter, »Die Photozelle in der Technik«, 4. Auflage, 1942, S. 47 bis 53.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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