DE2948001C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Steuerschaltung mit mehreren Halbleiter-Lawinenvorrichtungen, die bei Empfang eines elektrischen Impulses durch Entladung eines Kondensators dem Ausgang der Schaltung einen Stromimpuls zuführen.

Aus der US-PS 30 75 092 ist eine solche Steuerschaltung bekannt, die das Ziel verfolgt, einen Impulsgenerator so auszubilden, daß der Last Impulse mit hoher Impulswiederholungsfrequenz zugeführt werden können. Zu diesem Zweck sind mehrere sequentiell arbeitende Impulserzeugungsstufen vorgesehen, die über ein ODER-Tor mit der Last verbunden sind. Dabei wird jede Stufe aufeinanderfolgend beaufschlagt, um den vorher beaufschlagten Stufen ausreichend Erholungszeit zu verschaffen.

In der Praxis besteht ein Bedarf für eine Steuerschal­ tung, die bewirkt, daß eine Laser-Vorrichtung genau definierte Infrarot-Energie-Impulse aussendet, beispielsweise auf dem Gebiet der Entfernungsmessung mit hoher Auflösung, wo Halbleiter-Vor­ richtungen zur Auslösung der Laser-Vorrichtung verwendet werden. Es ist dort erforderlich, der Laser-Vorrichtung einen so hohen Strom zuzuführen, daß dieser auf mehrere Halbleiter-Vorrichtungen aufgeteilt werden muß, jedoch besteht das Problem, daß der Aus­ löseimpuls, der eine bestimmte Form und eine kurze Dauer von etwa 10 Nanosekunden oder mehr haben sollte, zu einer Abschwächung neigt, weil unterschiedliche Vorrichtungen unterschiedliche Eigenschaften haben.

Es wurde vorgeschlagen, diesem Problem durch individuelle Einstellung der den einzelnen Vorrichtungen zugeführten Betriebsspannungen zu begegnen. Dies ist jedoch in der Praxis unerwünscht, und der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zu­ grunde, eine zufriedenstellendere Lösung zur überwindung des Pro­ blems der unterschiedlichen Eigenschaften der Halbleiter-Vorrich­ tungen zu schaffen.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer Steuerschaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine erste Halbleiter-Lawinenvorrichtung (2) vorgesehen ist, die bei Empfang einer impulsförmigen Anregung einen elektrischen Impuls erzeugt, den die mehreren Halbleiter-Lawinenvorrichtungen (3-6) parallel empfangen und gemeinsam die Ladung ihrer zugehö­ rigen, gleich großen Kondensatoren (22-25) dem Ausgang in Ab­ hängigkeit von dem elektrischen Impuls zuführen.

Aus dem Aufsatz "Avalanche Transistor Circuits for Generating Rectangular Pulses" in der Zeitschrift "ELECTRONIC ENGINEERING", Dezember 1962, S. 808 bis 812, ist es an sich be­ kannt, bei einer monostabilen Schaltung mit einer Halbleiter- Lawinenvorrichtung eine andere Vorrichtung zu stimulieren, jedoch werden dort nicht parallel mehrere Lawinenvorrichtungen so ausge­ löst, daß sie nicht nur den elektrischen Impuls parallel empfan­ gen, sondern auch gemeinsam die Ladung der Kondensatoren dem Aus­ gang in Abhängigkeit von dem elektrischen Impuls zuführen.

Die dabei in der Praxis verwendeten Lawinenvorrichtungen sind Transistoren, und bei der Prüfung einer Reihe solcher Vor­ richtungen haben sich die besten Ergebnisse mit Vorrichtungen vom Typ 2N 3019 und 2N 3725 der Firma National Semiconductor erzie­ len lassen. Hierbei handelt es sich um nicht beschichtete (non­ overlay) doppeltdiffundierte Silizium-Epitaxial-Vorrichtungen, und derartige Vorrichtungen haben sich für die Zwecke der Erfindung als am besten geeignet erwiesen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Lawinentransistor beschränkt.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Anordnungen mög­ lich. So sind beispielsweise Schaltungen entwickelt worden, die einen Steuertransistor enthalten, der drei Ausgangstransistoren speist, die ihrerseits den Laser auslösen. Eine andere Schaltung enthält sechs Ausgangstransistoren, die in zwei Dreiergruppen an­ geordnet sind, von denen jede Gruppe einen entsprechenden Steuer­ transistor besitzt. Die beiden Steuertransistoren werden dabei von einem gemeinsamen Vor-Steuertransistor gespeist, wobei alle Transistoren im Lawinenbetrieb arbeiten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausfüh­ rungsform einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung,

Fig. 2 eine typische Strom/Zeit-Wellenform für einen von der Schaltung gemäß Fig. 1 erzeugten Auslöseimpuls und

Fig. 3 eine Steuerschaltung, die zur Ener­ gieversorgung der in Fig. 1 darge­ stellten Schaltung verwendbar ist.

Ein Impuls mit schneller Anstiegszeit wird in geeigneter Weise erzeugt und über einen Kopplungs-Transformator 1 einem Lawinensteuertransistor 2 zugeführt, um diesen auszulösen. Der Transistor 2 entlädt Kondensatoren 22-25 über die Basis-Emitter­ strecke von Lawinentransistoren 3-6. Die Kondensatoren haben die gleiche Kapazität (beim vorliegenden Ausführungsbeispiel 100 pF), um eine Beaufschlagung jeder Transistorbasis mit gleicher Ladung zu gewährleisten, und die Schaltung ist so ausgebildet, daß eine Vor­ richtung, wenn diese beginnt leitend zu werden, die Belastung der anderen Vorrichtungen erhöht. Hierdurch wird sichergestellt, daß alle Vorrichtungen mit minimalem Unterschied in der Verzögerungs­ zeit - vorzugsweise kleiner als 1 ns - in den Lawinenbetrieb aus­ gelöst werden. Widerstände 13-16 (beim vorliegenden Ausführungs­ beispiel 27 Ohm) sorgen für die optimalen Lawinenbedingungen für die Transistoren.

Wenn die Transistoren 3-6 in den Lawinenbetrieb ausgelöst werden, entladen sie Kondensatoren 9-12 in die Last 7, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Laser-Diode der Firma RCA vom Typ 4082 ist. Die Kondensatoren 9-12 haben die gleiche Ka­ pazität (beim vorliegenden Ausführungsbeispiel 390 pF), damit die Last gleichmäßig auf die Transistoren 3-6 verteilt wird. Die Impulsform wird durch ein Impulsformnetzwerk (PFN) bestimmt, das im vorliegenden Beispiel ein Einzelabschnitt-LCR-Netzwerk ist, wobei die Schleifeninduktivität durch die Schaltungsgestaltung und die Induktivitäten der Komponenten bestimmt ist, und wobei der Schleifenwiderstand aus den Widerständen der Last, der Kondensa­ toren und besonders der Widerstände der Lawinentransistoren be­ steht. Ein wichtiger grundsätzlicher Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, daß der wirksame Widerstand der Lawinentransistoren in diesem Anwendungsfall eine Funktion des durch sie verlaufenden Impulsstromes ist. Dieser Widerstand fällt auf einen geringen Wert, wenn die Vorrichtungen ausgelöst werden, jedoch steigt er erneut an, wenn der Stromimpuls geringer wird. Somit ist die LCR-Schaltung an der hinteren Kante des Impulse unterkritisch gedämpft, was aus Fig. 2 ersichtlich ist. Der so erzeugte Ausgangsimpuls hat ein geringes Überschwingen, und die der Last zugeführte Rückwärtsener­ gie ist klein und erfordert im Falle der beschriebenen Schaltung keinen besonderen Schutz für die Laser-Diode (z. B. eine parallel zur Last geschaltete Hochgeschwindigkeitsdiode mit Gegenpolung).

Induktivitäten 17-21 (im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit jeweils 100 µH) stellen für den Impuls hohe Impedanzen, für den Ladestrom der Kondensatoren 9-12 und 22-25 jedoch kleine Impedanzen dar. Der Widerstand 9 ist so gewählt, daß ein Rück­ wärtsdurchbruch während der Ladeperiode verhindert und ferner ei­ ne Dämpfung für die Ladestromschaltung erzeugt wird.

In der Zeichnung ist ein Transformator 26 dargestellt. Die­ ser wäre in einer für die Entfernungsmessung verwendeten Schaltung nicht vorhanden, er kann jedoch dazu verwendet werden, den Aus­ gangsauslöseimpuls unter experimentellen Bedingungen mit einer Über­ wachungsvorrichtung zu koppeln.

Fig. 2 zeigt eine typische Bildspur auf einem Oszilloskop bei Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Schaltung. Es ist ersicht­ lich, daß die Impulsamplitude etwa 60 Ampere und die Impulsdauer etwas weniger als 15 Nanosekunden beträgt.

Die Energie zum Betreiben der Ausgangsschaltung in bezug auf Fig. 1 wird über die negative Hochspannungsschaltung zugeführt und kann beispielsweise durch eine Drossel-Steuerschaltung (ring­ ing choke drive circuit) der in Fig. 3 dargestellten Art gewonnen werden.

Transistoren 27 und 28 bestimmen die Impulswiderholungs­ frequenz (PRF) des Systems. Die PRF kann mittels eines veränder­ baren Widerstandes 29 von ein KHz bis einhundert KHz geändert wer­ den. Der PRF-Generator, der sich innerhalb der strichpunktierten Linie 30 befindet, löst eine monostabile Schaltung aus, die sich inner­ halb der strichpunktierten Linie 31 befindet, wobei Transistoren 32 und 33 die Basistransistoren und der Kondensator 34 der zeitbe­ stimmende Kondensator ist. Der Widerstand 35 ist der zeitbestim­ mende Widerstand, und dieser bestimmt die maximale Impulsbreite und damit die maximale Energie, die zur Ausgangsschaltung über­ tragen werden kann. Die Impulsbreite wird durch Einleitung zusätz­ lichen Stromes in den Kondensator 34 über Transistoren 36 und 37 in Abhängigkeit vom Widerstandswert des veränderbaren Widerstands 38 gesteuert.

Die Transistoren 39 und 40 erzeugen eine Stromverstärkung zur Steuerung des Transistors 41, und der Transistor 42 mit dem Kondensator 43 dient zu einer schnellen Abschaltung des Kon­ sistors 41 am Ende der Steuerperiode, wodurch die Schaltver­ luste auf ein Mindestmaß verringert werden. Der Transistor 41 wird vorzugsweise sieben Sekunden auf einen Strom von 800 mA aufgesteuert. Der Transformator 44 hat ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 5, und die Sekundärwicklung baut ihre Spitzenspannung (peak ringing voltage) von etwa 250 V in etwas weniger als 3 µs auf.

Es sei hervorgehoben, daß - wie schon früher erwähnt wurde - die Energie auf beliebige Weise der Ausgangsschaltung zugeführt werden kann. Die obige Beschreibung der in Fig. 3 dargestellten Schaltung wurde nur der Vollständigkeit halber mit eingeschlos­ sen.

Es sei bemerkt, daß zur Erzielung der obigen Wirkungsweise der Schaltung die physikalische Anordnung und der tatsächliche Auf­ bau der Schaltung ebenso wie die Wahl der verwendeten Bauteile sehr wichtig ist. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, daß der in der Entwicklung von Schaltungen erfahrene Fachmann über die entsprechenden Kenntnis verfügt, so daß nähere Ausführungen entbehrlich sind.

Claims (6)

1. Elektrische Steuerschaltung mit mehreren Halbleiter- Lawinenvorrichtungen, die bei Empfang eines elektrischen Impulses durch Entladung eines Kondensators dem Ausgang der Schaltung einen Stromimpuls zuführen, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise eine erste Halbleiter-Lawinenvorrichtung (2) vorgesehen ist, die bei Empfang einer impulsförmigen Anregung einen elektrischen Impuls erzeugt, den die mehreren Halbleiter- Lawinenvorrichtungen (3-6) parallel empfangen und gemeinsam die Ladung ihrer zugehörigen, gleich großen Kondensatoren (22-25) dem Ausgang in Abhängigkeit von dem elektrischen Impuls zuführen.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Lawinenvorrichtungen Lawinentransistoren sind, daß die Basen der weiteren Vorrichtungen zum Empfang des elektrischen Im­ pulses parallel geschaltet sind, und daß die Wege jeweils aus Rei­ henschaltungen der Kollektor-Emitterstrecken der Transistoren mit den Kondensatoren bestehen.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wei­ tere Kondensatoren gleicher Größe an die jeweiligen Kollektor-Emit­ terstrecken angeschlossen und gemeinsam mit der ersten Halbleiter- Lawinenvorrichtung verbunden sind, um ihre Ladung den Basen der weiteren Halbleiter-Lawinenvorrichtungen zuzuführen, wenn die erste Vorrichtung die erwähnte Anregung erhält.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impedanz zwischen der gemeinsamen Verbindung der weiteren Kon­ densatoren mit der ersten Vorrichtung und einer Seite des Aus­ gangs vorgesehen ist.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz eine Induktivität ist.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang eine Laser-Diode angeschlossen ist.