DE2056797B2 - Schaltungsanordnung zur umschaltung einer kapazitiven last zwischen zwei potentialen - Google Patents
Schaltungsanordnung zur umschaltung einer kapazitiven last zwischen zwei potentialenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur schnellen Umschaltung einer überwiegend kapazitiven,
einseitig geerdeten Last zwischen zwei Potentialen, mit einer Gleichspannungsquelle, die über einen hochohmigen
Ladewiderstand mit der Last verbunden ist, und mit einem Steuerkreis, der parallel zur Last am Ladewiderstand
angeschlossen ist und als steuerbare Impedanz wirkt.
Bekanntlich ist die Dauer des Übergangs zwischen diesen beiden Potentialen um so langer, als die in Frage
kommende Last eine hohe Kapazität bezüglich Masse darstellt und die Gleichspannungsquelle eine hohe
Ausgangsimpedanz bildet. Diese Quelle muß bei jeder Umschaltung die Kapazität über diese Impedanz laden
oder entladen. Es besteht um so mehr das Interesse, in gewissen Fällen diesen Übergang so kurz wie möglich
zu machen. Insbesondere läßt sich die vorliegende Erfindung bei der Umschaltung der Beschleunigungsspannung
des Elektronenstrahls einer bichromatischen Anzeigekathodenstrahlröhre anwenden. Es ist bekannt,
daß eine solche Röhre einen Schirm aufweist, der mit zwei Arten von Luminophoren versehen ist, welche in
zwei übereinanderliegenden Schichten angeordnet sind, die aufeinanderfolgend durch die Elektronen des Strahls
getroffen werden, wenn diese passend beschleunigt werden. Die erste dieser Schichten Hefen z. B. eine rote
Lumineszenz und die zweite eine grüne Lumineszenz. Wenn der Elektronenstrahl unter einer Spannung von
z. B. 14 kV beschleunigt wird, dann durchquert er die erste Schicht, wobei er nur eine sehr schwache rote
Lumineszenz anregt, und erreicht die zweite Schicht, bei der er die grüne Lumineszenz anregt. Auf dem Schirm
erscheint dann ein grüner Punkt. Wenn demgegenüber der Elektronenstrahl nur unter einer Spannung von z. B.
6 kV beschleunigt wird, dann bleiben die Elektronen in der ersten Schicht der Luminophore stehen, welche
dann die einzige angeregte Schicht ist. Auf dem Schirm erscheint in diesem Fall ein roter Punkt. Es ist auch
durch Strahlablenkung und durch Umschaltung der Beschleunigungsspannung möglich, auf dem Schirm
grüne und rote Bilder erscheinen zu lassen. Zwischenfarben lassen sich selbstverständlich durch Gebrauch
von gleichermaßen dazwischenliegenden Beschleunigungsspannungen erreichen.
In nachteiliger Weise stellt der Schirm, der selbstverständlich zur Vermeidung einer Raumladungsausbildung
aufgrund der Elektronenbeschießung ein Leiter sein muß, eine Störkapazität dar, die sehr bedeutend,
z. B. 200 pF, sein kann. An diesen Schirm wird nun die Beschleunigungsspannung angelegt, wobei die Kathode
der Elektronenkanone an Masse liegt. Die Quelle der umschaltbaren Spannung, die diese Beschleunigungsspannung
liefert, bildet andererseits eine im allgemeinen bedeutende Ausgangsimpedanz, denn die Leistung, für
die sie gebaut sein muß, ist um so größer, je niedriger diese Impedanz gewählt wird. Daraus ergibt sich, daß
sich bei jeder Spannungsumschaltung die neue Beschleunigungsspannung erst am Ende einer Übergangsperiode
einstellt, deren Dauer störend sein kann. Wenn man will, daß diese Dauer geringer als z. B. 50 μ8 ist, ist
es notwendig, die Quelle der umschaltbaren Spannung für eine Leistung vorzusehen, die mehrere hundert Watt
erreichen kann. Dies macht die Quelle schwer und teuer sowie vergrößert den Energieverbrauch.
Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Schaltungsanordnung der eingangs definierten Art geschaffen
werden, bei der die Umschaltzeit kurz ist und an deren Ausgang Signale von verbesserter Form abgegeben
werden.
Gemäß der Erfindung ist diese Schaltungsanordnung
h5 dadurch gekennzeichnet, daß außerdem an der Last ein
Lade- und ein Entladehilfszweig angeschlossen sind, die je aus der Serienschaltung einer Gleichspannungsquelle,
der Sekundärseite eines Impulsübertragers und einer
Diode besteht, wobei die Primärseiten der Übertrager oder Impulsverstärker verstärkte Steuerimpulse aus
dem Steuerkreis je nach der Richtung der gewünschten Umschaltung erhalten, derart, daß bei jeder Umschaltung
an die Diode mindestens eines der Hilfszweige ein Spannungsimpuls solcher Amplitude gelangt, daß die
Diode kurzzeitig leitend wird und Strom zur bzw. von der Last führt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Anhand der F i g. 1 bis 3 wird im folgenden ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild dieses Ausführungsbeispiels und die Fig.2 und 3 je ein Detail aus der
Schaltung nach F i g. 1.
Die in F i g. 1 gezeigte Schaltung ist die Schaltung, welche die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls
einer mit 2 bezeichneten bichromatischen Anzeigekathodenstrahlröhre liefert. Die Kathode der
Elektronenkanone ist nicht dargestellt. Sie ist auf elektrisches Massepotential gelegt. Das positive Beschleunigungspotential
des Strahls ist am Schirm 4 der Röhre 2 angelegt. Dieser Schirm 4 bildet in bezug auf die
elektrische Masse eine Störkapazität, welche symbolisch als Kondensator 6 dargestellt ist. Die dem Rot und
dem Grün entsprechenden Beschleunigungsspannungen sind sechs und vierzehn Kilovolt Dazwischenliegende
Spannungen können zur Erzielung von Zwischenfarben benutzt werden.
Die dem Schirm 4 zugeführte Spannung wird von einer Quelle 8, auch Speisegenerator genannt, geliefert.
Dieser Generator liefert eine Gleichspannung von 21 kV an ein gesteuertes Einstellglied 10. Dieses
Einstellglied 10 weist zuerst einen Ladewiderstand 12 auf, der mit dem Speisegenerator 8 mit dem einen seiner
Anschlüsse und mit dem Schirm 4 über den anderen Anschluß verbunden ist Der durch den Widerstand 12
fließende Strom wird durch eine aus einer Vakuumtriode 14 und einem Transistor 16 bestehende
Serienschaltung gesteuert Das Gitter der Triode 14 liegt an einem festen Potential (± 24 V) und die
Kathode dieser Triode ist direkt mit dem Kollektor des Transistors 16 verbunden, dessen Emitter über einen
Vorwiderstand 18 an eine Quelle festen Potentials von minus 24 V gelegt ist Diese Serie bildet eine bekannte
und als Cascode-Hybrid bezeichnete Schaltung. In dieser Schaltung nimmt die Triode 14 den wesentlichen
Teil der Potentialdifferenz auf. Der Strom wird durch die Zwischenschaltung des Transistors gesteuert. Zur
Durchführung dieser Steuerung ist die Basis des Transistors 16 mit dem Ausgang eines sättigbaren
Differentialverstärkers 20 verbunden, dessen einer Eingangsanschluß (positiver Anschluß) an mittels eines
elektronischen Umschalters 22 umschaltbare.i Bezugspotentialen liegt Zum einfacheren Verständnis der
Zeichnung ist dieser Umschalter 22 als mechanischer Umschalter dargestellt und mit einem von einer Quelle
23 gespeisten Widerstandsteiler 21 verbunden. Der andere Eingang des Verstärkers 20 ist an den
Ausgangsanschluß eines Widerstandsteilers 24 angeschaltet, der zwischen Masse und dem Schirm 4
eingeschaltet ist. Der Steuerverstärker 20 steuert über den Transistor 16 den durch den Widerstand 12
fließenden Strom und demnach den Spannungsabfall an diesem Widerstand 12, d. h. schließlich das am Schirm 4
anliegende Potential. Die Schaltungsgruppe bildet das am Schirm 4 anliegende Potential. Die Schaltungsgruppe
bildet also eine Regelschleife. Sie stellt einen gewöhnlich benutzten Generator einer umschaltbaren
Spannung dar.
In nachteiliger Weise ergibt sich jedoch eine durch die Werte des Widerstands 12 und der Störungskapazität 6
bedingte Zeitkonstante. Diese Störkapazität läßt sich jedoch kaum verringern. Was den Widerstand 12
betrifft, so erfordert seine Verringerung eine Vergrößerung des Stromes vom Ausgang des Speisegenerators 8,
d. h. eine Vergrößerung der Verlustleistung und eine
Forderung an höhere Leistungsfähigkeit für die Triode
14 und den Transistor 16. Daraus ergibt sich eine Zunahme an Gewicht, Kosten und Verbrauch des
Generators umschaltbarer Spannung.
Deswegen wird nach der vorliegenden Erfindung eine
Kompensatorschaltung verwendet, die zur Beschleunigung
der Ladung des Schirmes 4 vorgesehen ist, wenn sein Potential von 6 auf 14 kV übergehen soll. Im
umgekehrten Fall wird die Entladung beschleunigt. Diese Kompensatorschaltung weist insbesondere
eine aus zwei Verstärkern 40 und 41 bestehende Leistungsstufe auf. Diese Stufe wird durch den
Differentialverstärker 20 über zwei einstellbare Potentiometer 30 und 31 gesteuert, welche von den Eingängen
für die Ladung 32 und Entladung 33 und von einer
Sperrschaltung 50 gespeist werden. Diese Sperrschaltung 50 später noch näher beschrieben und kann im
Augenblick so verstanden werden, daß sie genau und einfach die Signale überträgt, welche sie empfängt.
Diese Sperrschaltung 50 bildet mit den Verstärkern
40 und 41 den vorher erwähnten Impulsgenerator. Ihr Ladeausgang 540 und Entladungsausgang 550 sind mit
dem Eingang 32 bzw. 33 verbunden.
Der Verstärker 40 speist die Primärseite eines Transformators 60, dessen Sekundärseite zwischen dem
positiven Anschluß einer Umschaltquelle 70 und der Anode eines Gleichrichters 62 liegt, dessen Kathode mit
dem Schirm 4 verbunden ist. Der negative Anschluß der Quelle 70 liegt an Masse. Ihre Spannung beträgt 6 kV.
Ihr positiver Anschluß ist andererseits mit dem
negativen Anschluß einer anderen Umschaltquelle 72 von einer Spannung gleich 8 kV verbunden. Der positive
Anschluß dieser Quelle 72 ist über die Sekundärseite eines Transformators 61 mit der Kathode eines
Gleichrichters 63 verbunden, dessen Anode am Schirm 4 angeschlossen ist. Die Primärseite des Transformators
61 wird durch den Verstärker 41 gespeist.
Diese Organe bilden zwei Zweige der Kompensatorschaltung nach der Erfindung und stellen einen zweiten
Teil der Schaltung dar. Der erste Teil wird durch den
vorher erwähnten Impulsgenerator gebildet. Einer dieser Zweige, der Ladezweig, weist den Transformator
60, den Gleichrichter 62 sowie die Quelle 70 auf, der andere, der Entladezweig, den Transformator 61, den
Gleichrichter 63, die Quelle 70 und die Quelle 72. Man sieht, daß einige Elemente beiden Zweigen gemein und
andere unterschiedlich sind. Abweichungen sind jedoch möglich. Es wäre z. B. möglich, zwei solche Quellen wie
die Quellen 70 oder einen gemeinsamen Transformator zu verwenden, unter der Bedingung, die Störkapazität
der Quelle 72 zu verkleinern und einen Verstärker vorzusehen, der die Rolle der Verstärker 40 und 41 auf
einmal spielt, d.h., daß sich an der Primärseite abwechselnd positive und negative Impulse anlegen
lassen. Die Erklärung der Arbeitsweise der in der Figur
br> dargestellten Schaltung läßt sich ohne Schwierigkeiten
auf verschiedene Varianten übertragen, deren Möglichkeit erwähnt wurde.
Die Arbeitsweise der Kompensatorschaltung nach
Die Arbeitsweise der Kompensatorschaltung nach
der Erfindung wird zuerst für den Fall eines Übergangs des Potentials des Schirms 4 und 6 auf 14 kV
beschrieben. Die Sekundär-Wicklung des Transformators 60 liefert bei der Umschaltung einen positiven
Impuls von 8 kV. Dieser Impuls, der der EMK der Quelle 70, 6 kV, dazugefügt wird, macht die Diode 62
leitend und liefert einen Ladestrom an den Schirm 4.
Wenn es sich darum handelt, den Schirm 4 vom Potential 14 kV auf das Potential 6 kV übergehen zu
lassen, dann liefert die Sekundärseite des Transformators 61 einen negativen Impuls von 8 kV. Dieser wird
von der EMK der Quelle 70 und 72 in Serie zueinander, 14 kV, abgezogen, was die Diode 63 leitend macht. Der
diesem Impuls entsprechende Strom entlädt dann die Kapazität 6.
Die Schaltung nach der Erfindung erlaubt also das Anlegen negativer oder positiver Impulse, entsprechend
den Fällen, an einem Schirm, dessen Potential bald 6 kV, bald 14 kV beträgt. Die beschriebene Schaltung
verhindert selbstverständlich nicht das Anlegen von Zwischenpotentialen an den Schirm 4.
In Fig. 2 ist ein für die Quelle mögliches Ausführungsbeispiel dargestellt. Es besteht aus einer Reihe von
Zenerdioden, von denen hier zwei 721 und 722 dargestellt sind. Die Aufgabe dieser Dioden besteht in
der Begrenzung der Potentialdifferenz zwischen der Belegung eines Kondensators 724 großer Kapazität im
Verhältnis zur Kapazität des Schirmes 4 auf δ kV. Die Arbeitsweise dieser Quelle erklärt sich aus der Tatsache,
daß bei aufeinanderfolgenden Ladungen und Entladungen des Schirmes 4 die durch die Quelle 72 fließenden
Ströme dazu neigen, den Kondensator 724 zu laden. Es genügt also, um ihre Spannung bei 8 kV aufrechtzuerhalten,
parallel eine Spannungsbegrenzerschaltung anzuordnen. Die Kapazität des Kondensators 724 muß
selbstverständlich groß im Verhältnis zum Schirm 4 sein, derart, daß die Innenimpedanz der Quelle 72 im
Verhältnis zur Impedanz des Schirmes gering erscheint.
In Fig. 3 ist ein für die Quelle 70 mögliches Ausführungsbeispiel dargestellt. Es weist eine Reihe von
Zenerdioden wie 70i und 702 auf, weiche eine Begrenzung der Spannung an den Anschlüssen eines
Kondensators 704 auf 6 kV sichern. Dieser Kondensator wird, ausgehend von der Quelle 8, von einem
Speiseanschluß 705 über einen Widerstand 706 geladen. Der Kapazitätswert des Kondensators 704 ist im
Verhältnis zu dem des Schirms 4 groß und der Wert des Widerstandes 706 ist gleichermaßen so groß, daß der
von der Quelle 8 abgegebene Strom klein ist. Der Wert dieses Stroms ist mit Rücksicht auf die Zenerdioden, 701
und 702, so gering gewählt wie möglich, derart, daß diese mit korrekter Sicherheit ihre Rolle als Spannungsbegrenzer ausüben können. Die Arbeitsweise dieser
Quelle erklärt sich aus der Tatsache, daß der mittlere Strom, den sie abgibt, bei einer Aufeinanderfolge von
Ladungen und Entladungen des Schirms 4 Null beträgt. Die Werte der vorher angegebenen Spannungen sind
selbstversländlich nicht als ganz streng anzusehen. Einstellungen sind selbstverständlich in Abhängigkeit
der Merkmale verschiedener benutzter Komponenten erforderlich.
Die Funklion der Sperrschiillung 50 (Fig. 1) wird
jetzt erklärt als Beispiel für den Fall eines Übergangs
des Potentials des Schirms 4 von 6 auf 14 kV. Der I Jhergangsvorgang beginnt mit einer quasi unvcrzögericn
Änderung des vom Umschnlu-r 22 an den
Diffcrentiulvcrstiirkcr 20 (.'(.'liulcricn Bcvugspoientials.
Dieser Verstärker 20 suingI sich und gibl ein positives
Ausgangssignal ab, welches geeignet ist, den Leistungsverstärker 40, wie vorher erklärt, in Betrieb zu setzen.
Der durch diesen Verstärker gelieferte Impuls besitzt genügend Energie, um über den Transformator 60 in
einer Zeit in der Größenordnung von beispielsweise 20 Mikrosekunden die Ladung der Störkapazität 6 des
Schirms 4 sicherzustellen.
Aber dieser Transformator bildet eine nicht vernachlässigbare Induktivität und es ergibt sich daraus ein
ίο Schwingungsvorgang (Überschwingen), der auf ein
zeitweise Ansteigenlassen des Potentials des Schirms 4 ein wenig über 14 kV abzielt, was folgenden Nachteil
mit sich bringen könnte: der Differentialverstärker 20 würde sich in umgekehrter Richtung wie vorher sättigen
und würde ein negatives Signal liefern. Dieses Signal würde den Leistungsverstärker 41 in Betrieb setzen, was
sehr schnell und beträchtlich das Potential des Schirms 4 abnehmen ließe. Daraus ergäbe sich schnell eine neue
Änderung im Zustand des Differentialverstärkers 20 und eine neue Inbetriebsetzung des Verstärkers 40 und
ein neues Anwachsen des Potentials des Schirms 4. Dieses neue Anwachsen wäre langsam, da der
Verstärker 40 nicht für die Abgabe zweier gleicher Energieimpulse in nahen Intervallen entworfen ist (zehn
Mikrosekunden z. B.). Dieses neue Anwachsen würde beispielsweise 150 Mikrosekunden dauern, was das
Interesse an der Schaltung nach der Erfindung beträchtlich vermindern würde. Die Funktion der
Sperrschaltung 50 ist es, zu vermeiden, daß der
Verstärker 41 nicht durch ein störendes Überschwingen, gleich nachdem der Verstärker 40 in Betrieb genommen
wurde, in Betrieb gesetzt wird.
Zu diesem Zweck weist diese Schaltung zwei Schwellenwertkreise 52 und 53 auf, die ein Ausgangssignal
vom Differentialverstärker 20 erhalten. Der Kreis 52 liefert an einen ersten Eingang eines Gatters 54 vom
Typ NAND ein Signal vom Wert einer logischen 1, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 20 positiv ist.
Der Kreis 53 liefert an einen ersten Eingang eines Gatters 55 vom gleichen Typ ein Signal vom Wert einer
logischen 1, wenn das Ausgangssignal des gleichen Verstärkers negativ ist.
Eine Verzögerungsschaltung 56 empfängt das vom Schwellenwertkreis 53 abgegebene Signal, verlängert es
während einer geeigneten Dauer und überträgt es bei vollkommener Invertierung an den zweiten Eingang des
Gatters 54, wodurch dieses Gatter eine Inbetriebsetzung des Verstärkers 40 während dieser Dauer
verhindert.
In gleicher Weise empfängt eine Verzögerungsschal tung 57 das vom Schwellenwertkreis 52 abgegebene
Signal, verlängert es während derselben geeigneten Dauer und überträgt es bei vollkommener Invertierung
an den zweiten Eingang des Gatters 55, wodurch dieses Gatter eine Inbetriebsetzung des Verstärkers 41
während dieser Dauer verhindert.
Man sieht, daß diese Sperrschaltung die Wirkung der Vermeidung eines Arbeitens des Entladekreises (Gatter
55, Verstärker 41, Transformator 61) während einer
hu passenden Dauer nach der Arbeit des Ladekreises hat
und umgekehrt. Diese Dauer beträgt beispielsweise 60 Mikrosekunden. Sie ist genügend klein, um nicht den
maximalen Umschalttaki des Potentials des Schirms 4 /u verringern, und genügend groß, um zu vermeiden
>,; daß die zur Inbetriebsetzung des Ladezweiges (oder
Kntladczwciges) ausgelösten Schwingungen nicht eine tin/citigc Inbetriebsetzung des Entladczwcigcs (oder
des Lade/wcigcs) nach sich ziehen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Schaltungsanordnung zur schnellen Umschaltung einer überwiegend kapazitiven, einseitig
geerdeten Last zwischen zwei Potentialen, mit einer Gleichspannungsquelle, die über einen hochohmigen
Ladewiderstand mit der Last verbunden ist, und mit einem Steuerkreis, der parallel zur Last am
Ladewiderstand angeschlossen ist und als steuerbare Impedanz wirkt, dadurch gekennzeichnet,
daß außerdem an der Last (6) ein Lade- und ein Entladehilfszweig angeschlossen sind, die je aus der
Serienschaltung einer Gleichspannungsquelle (70 bzw. 70 und 72), der Sekundärseite eines Impulsübertragers
(60 bzw. 61) und einer Diode (62 bzw. 63) besteht, wobei die Primärseiten der Übertrager über
Impulsverstärker (40 bzw. 41) verstärkte Steuerimpulse aus dem Steuerkreis (10) je nach der Richtung
der gewünschten Umschaltung erhalten, derart, daß bei jeder Umschaltung an die Diode mindestens
eines der Hilfszweige ein Spannungsimpuls solcher Amplitude gelangt, daß die Diode kurzzeitig leitend
wird und Strom zur bzw. von der Last führt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (70)
eines der Hilfszweige auch für den zweiten Zweig wirkt und daß in diesem zweiten Zweig eine zweite
Gleichspannungsquelle (72) in Serie zur ersten Gleichspannungsquelle angeordnet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gleichspannungsquelle (72) aus einem Kondensator (724) besteht,
dessen Kapazität wesentlich größer als die der Last ist und dem ein spannungsstabilisierender Zweipol
parallelgeschaltet ist (721,722).
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zweigen
gemeinsame Gleichspannungsquelle (70) aus einem Kondensator (704) besteht, dessen Kapazität wesentlich
über der der Last liegt und dem ein spannungsstabilisierender Zweipol (701, 702) parallelgeschaltet
ist, und daß dieser Zweipol über einen Widerstand (706) mit Gleichstrom versorgt wird.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden
Impulsverstärkern (40 und 41) eine Sperrschaltung (50) vorgeschaltet ist, die den Eingang eines der
Impulsverstärker für eine vorgegebene Dauer sperrt, wenn der jeweils andere Impulsverstärker
aktiviert wird.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschaltung (50) zwei
Schwellwertkreise (52, 53) zur Diskriminierung der zur Aktivierung des einen oder anderen Hilfszweigs
führenden Steuersignale und diesen nachgeordnet je ein Gatter (54, 55) aufweist und daß die beiden
Gatter überkreuz mit den beiden Schwellwertkreisen über invertierende Verzögerungsglieder (56,57)
verbunden sind.
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