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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Unterbrechervorrichtung für Hochfrequenzsignale, die einerseits
eine Unterbrecherschaltung, bestehend aus einer
Hochfrequenzsignalstrecke, in die in Reihe ein in einer Richtung leitender
und zwei Elektroden besitzender Halbleiter, (insbesondere eine
PIN-Diode) eingefügt ist, der von einer Steuerklemme der
Unterbrecherschaltung Steuersignale zu deren Umschaltung vom
leitenden in den nichtleitenden Zustand empfängt, und aus
einem Vorspannungskreis, um eine Entkopplung zwischen den
Hochfrequenzsignalen und den Steuersignalen zu gewährleisten,
und die andererseits eine Steuerschaltung enthält, um abhängig
von einer Steuerinformation die Steuersignale entweder von
einer ersten Spannungsquelle zu liefern, um die Strecke
leitend zu machen, oder von einer zweiten Spannungsquelle, um die
Strecke nichtleitend zu machen, wobei die Steuerschaltung
einen ersten und einen zweiten Endstufentransistor sowie einen
Überspannungskreis enthält, der beim Übergang von der ersten
Quelle zur zweiten Quelle ausgelöst wird, um einen Stromimpuls
zu liefern, mit dem schnell ein Entkopplungskondensator
geladen wird, dessen innere Elektrode mit der Steuerklemme und
dessen äußere Elektrode mit Masse verbunden ist.
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Eine solche Vorrichtung läßt sich vielseitig anwenden.
Beispielsweise können mehrere Vorrichtungen kombiniert werden,
um einen Hochfrequenzsignalsender auf verschiedene Lastkreise
umzuschalten.
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Eine solche Vorrichtung ist in dem US-Patent 3 912 949
beschrieben. In diesem Patent wird zur Beschleunigung der
Zustandswechsel (leitend-nichtleitend bzw.
nichtleitend-leitend) vorgeschlagen, Stromspitzen zu erzeugen, um die in den
PIN-Dioden gespeicherten Ladungen abzuführen. Diese in diesem
Patent angegebene Maßnahme mag zwar für Hochfrequenzsignale
geringer Leistung wirksam sein, sie ist jedoch nicht anwendbar
auf Signale großer Leistung (in der Größenordnung von 100 W).
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Um bei dieser Leistung die PIN-Dioden nicht in die Leitphase
durch die Hochfrequenzspannungs-Scheitelwerten zu bringen,
während sie in Wahrheit gesperrt sein sollen, braucht man eine
zweite Spannungsquelle großer Spannung, die den Scheitelwert
der Hochfrequenzspannungen übersteigt. Man kann dann ohne
besondere Maßnahmen-keine Stromspitzen erzeugen, die zu
Überspannungen führen und die Gefahr eines Durchschlags der PIN-
Dioden hervorrufen, wenn sie dem hohen Wert der zweiten
Spannungsquelle überlagert werden und an die PIN-Dioden angelegt
werden.
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Außerdem ist es wichtig, daß eine gute Entkopplung
zwischen den Hochfrequenzsignalen und den Steuersignalen
erfolgt, was in der Praxis einen Kondensator an den
Steuerklemmen erforderlich macht, um die Hochfrequenzsignale
kurzzuschließen. Die Anmelderin hat erkannt, daß dieser
Kondensator die Steuersignale an die Elektroden der PIN-Diode (oder
Dioden) verzögert anlegt.
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Die vorliegende Erfindung schlägt daher eine
Vorrichtung der einleitend genannten Art vor, die besonders für
Signale hoher Frequenz (100 bis 400 MHz) und großer Leistung
(100 W Scheitelwert) geeignet ist und eine zweite Quelle hohen
Werts zur Blockierung verwendet, aber doch schnelle
Zustandswechsel erlaubt.
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Daher ist eine Vorrichtung der im Oberbegriff
erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des ersten
Endstufentransistors unmittelbar mit der ersten
Spannungsquelle verbunden ist, daß der Kollektor des zweiten
Endstufentransistors unmittelbar mit der zweiten Spannungsquelle verbunden
ist, daß der Ausgang des Überspannungskreises mit der Basis
des zweiten Endstufentransistors verbunden ist, während sein
Eingang ein Differenziernetz enthält, um den Übergang von der
ersten Quelle zur zweiten zu erfassen, indem die
Steuerinformation differenziert wird, und daß die Zeitkonstante des
Differenziernetzes so gewählt wird, daß der Überspannungskreis in
Phase mit dem Laden des Entkopplungskondensators ausgelöst
wird.
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Anhand der nachfolgende Beschreibung und der
beiliegenden Zeichnung, die als nicht einschränkendes Beispiel zu
verstehen sind, wird die Erfindung nun erläutert.
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Die einzige Figur zeigt die erfindungsgemäße
Vorrichtung.
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In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine
Unterbrecherschaltung mit Eingangsklemmen 3 und 4, die an einen
Hochfrequenz-Signalgenerator angeschlossen werden können, mit
Ausgangsklemmen 6 und 7, die an einen Lastkreis angeschlossen
werden können, und mit einer Steuerklemme 10, um ein
Steuersignal zu empfangen. Dieses Signal hat die Aufgabe, die
Hochfrequenzsignalstrecke zwischen den Eingangsklemmen 3 und 4 und
den Ausgangsklemmen 6 und 7 leitend oder nicht leitend zu
machen. Mit anderen Worten gilt diese Strecke als leitend,
wenn die an die Eingangsklemmen angelegte Leistung an den
Ausgangsklemmen 6 und 7 ankommt, und nichtleitend, wenn man
überhaupt keine Leistung an den Ausgangsklemmen 6 und 7
vorfindet, während eine solche Leistung an die Eingangsklemmen 3
und 4 angelegt wird. Um diese Strecke leitend oder
nichtleitend zu machen, verwendet man eine PIN-Diode 13, an deren Pole
A und K eine Vorspannung angelegt wird, die die Diode entweder
leitend oder nichtleitend macht. Eine Vorspannungsschaltung,
die diese Spannung anzulegen vermag, besteht aus
Induktivitäten 20 und 21. Die Induktivität 21 verbindet gleichstrommäßig
betrachtet das Ende K der Diode 13 mit derselben Masse, an der
die Klemmen 4 und 7 liegen. Die Induktivität 20 verbindet den
Pol A mit der Klemme 10 über einen Widerstand 25. Die
Vorspannungsschaltung enthält weiter zwei Isolationskondensatoren 30
und 31, um den Pol A bezüglich der Klemme 3 einerseits und den
Pol P bezüglich der Klemme 6 andererseits hinsichtlich des
Steuersignals zu isolieren. Weiter sei auf einen
Entkopplungskondensator 34 hingewiesen (im Englischen by-pass capacitor),
der die verbleibenden Hochfrequenzsignale kurzschließt. Dieser
Kondensator 34 besitzt eine innere zylindrische Elektrode, die
an den von der Klemme 10 zum Widerstand 25 führenden Leiter
angeschlossen ist, und eine zylindrische äußere Elektrode, die
an Masse liegt oder, genauer betrachtet, mit dem die
Unterbrecherschaltung 1 umgebenden Gehäuse in Kontakt ist, wobei
dieses Gehäuse seinerseits an Masse liegt. Der Wert dieses
Kondensators liegt bei etwa 2000 pF und seine Wirkung besteht
darin, daß er den Anstieg und den Abfall der Steuersignale
verlangsamt. Um die Diode 13 leitend zu machen, muß man eine
von einer ersten bezüglich Masse positiven Spannungsquelle 35
kommende Spannung anlegen, deren elektromotorische Kraft 5 V
beträgt. Um die Diode 13 zu sperren, muß man eine weitere, von
einer zweiten, bezüglich Masse negativen Spannungsquelle 40
kommende Spannung anlegen, deren elektromotorische Kraft 100 V
beträgt.
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Zum Anlegen dieser Spannungen an die Klemme 10
verwendet man die Steuerschaltung 50, die abhängig von einer an
die Klemme 52 angelegten Steuerinformation die Spannung einer
der beiden Quellen 35 und 40 liefert. Diese Steuerinformation
besteht aus logischen Pegeln. So führt eine Spannung in der
Nähe von 0 V dazu, daß die Spannung der Quelle 40 an die
Klemme 10 gelangt, und eine Spannung in der Nähe von 5 V dazu, daß
die Spannung der Quelle 35 an die Klemme 10 gelangt. Diese
Steuerschaltung 50 besteht in erster Linie aus einem
Feldeffekttransistor 60 mit Kanal N, der so einen Vorverstärker
bildet und eine hohe Impedanz an der Klemme 52 besitzt. Sein
Gate ist einerseits an diese Klemme 52 und andererseits über
einen Widerstand 62 hohen Werts (ungefähr 100 kΩ) an Masse
angeschlossen. Die Source liegt an Masse und die
Drainelektrode am gemeinsamen Punkt zweier Widerstände 65 und 66. Die
entfernten Anschlüsse dieser beiden Widerstände 65 und 66 sind
an den positiven Pol der Quelle 35 bzw. an die Basis eines
PNP-Transistors 70 angeschlossen. Ein Kondensator 71
überbrückt den Widerstand 66, um die Ansprechempfindlichkeit des
Transistors 70 zu erhöhen. Der Emitter dieses Transistors 70
ist mit dem positiven Pol der Quelle 35 und der Kollektor mit
den Basiselektroden eines ersten Endstufentransistors 72 vom
Typ NPN und eines zweiten Endstufentransistors 74 vom Typ PNP
verbunden. Diese Endstufentransistoren sind gegeneinander
geschaltet (komplementäres Paar), d. h. daß ihre Emitter
gemeinsam an die Klemme 10 über einen Widerstand 75 und ihre
Basiselektroden ebenfalls gemeinsam an den Kollektor des
Transistors 70 und an den negativen Pol der Quelle 40 über einen
Widerstand 76 angeschlossen sind. Der Kollektor des
Transistors 72 liegt am positiven Pol der Quelle 35 und der
Kollektor des Transistors 74 am negativen Pol der Quelle 40.
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Die Betriebsweise der soeben beschriebenen Schaltung
läßt sich leicht erläutern.
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Bedeutet die Information an der Klemme 52 einen
logischen Wert "1", d. h. daß eine Spannung von 5 V an dieser
Klemme vorliegt, dann ist der Transistor 60 gesättigt. Daraus
folgt, daß der Transistor 70 ebenfalls in die Sättigung
gelangt, so daß der Transistor 72 leitend und der PNP-Transistor
74 gesperrt wird, da das Potential seiner Basis höher als das
an seinem Emitter wird. Der Kondensator 34 lädt sich schnell
auf, da der Transistor 72 leitend ist.
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Wenn dagegen die Information an der Klemme 52 den
logischen Wert "0" hat, dann steigt das Potential an der
Drainelektrode des Transistors 60 an und der Transistor 70
sperrt, was zur Sperrung auch des Transistors 72 führt. Der
Transistor 74 wird leitend, wobei sein Emitterstrom durch den
Wert des Widerstands 76 sowie durch die Leckwiderstände der
Transistoren 70 und 72 festgelegt wird. Aufgrund des hohen
Werts (-100 V) der elektromotorischen Kraft der Quelle 40
müssen Maßnahmen ergriffen werden, um zu verhindern, daß der
Transistor eine allzu große Leistung in Wärme umsetzt. Aus
diesem Grund hat der Vorspannungswiderstand 76 einen hohen
Wert. Obgleich also die Diode 13 gesperrt ist, sichert man
sich gegen jede hohe Impedanz, die ggf. auftretenden
Leckströmen Durchlaß gewährt. Der Emitterstrom des so vorgespannten
Transistors 74 ist jedoch zu gering, um ein rasches Aufladen
des Kondensators 34 zu gewährleisten. Daher wird
erfindungsgemäß ein Überstromkreis 80 vorgeschlagen, der beim Übergang
von der ersten Quelle 35 zur zweiten Quelle 40 ausgelöst wird,
um einen Stromimpuls zum Laden der an der Klemme 10
vorliegenden Kapazität über den Transistor 74 zu liefern.
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Da dieser Impuls nur von kurzer Dauer ist, unterliegt
der Transistor 74 einer großen Verlustleistung nur während
kurzer Zeit, so daß er nicht gefährdet ist.
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Der Überstromkreis 80 besteht aus einem Transistor 85,
dessen Kollektor an die Basis des Transistors 74 angeschlossen
ist. Der Emitter des Transistors 85 liegt am negativen Pol der
Quelle 40, während die Basis einerseits mit dem negativen Pol
der Quelle 40 über einen Widerstand 86 und andererseits mit
der Drainelektrode des Transistors 60 über einen Kondensator
88 verbunden ist, der so mit dem Widerstand 86 und dem
Eingangswiderstand des Transistors 85 ein Differenziernetz
bildet. In dieser Schaltung liefert der Transistor 85
Stromimpulse an die Basis des Transistors 74 bei jeder ansteigenden
Flanke der an der Drainelektrode des Transistors 60
anliegenden Spannung, also beim Übergang von der ersten Quelle zur
zweiten Quelle. Die Dauer des von dem Kreis 80 gelieferten
Impulses hängt insbesondere vom Kapazitätswert des
Kondensators 88 ab. Es wurde daher ein Kapazitätswert gewählt, der
eine exponentielle Aufladung des Kondensators 34 bewirkt, um
jede Überspannung an seinen Klemmen zu vermeiden.
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Wenn der Überspannungskreis ausgelöst wird, muß die
Spannungsquelle 40 einen verhältnismäßig großen Strom liefern
und die Spannung an seinen Klemmen kann sich abschwächen.
Daher wurde ein Kondensator 90 großen Werts
(Kondensatorbatterie) vorgesehen, der die Wirksamkeit der Quelle 40 verstärkt.
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Die nachfolgende Tabelle liefert die Werte der
verschiedenen Bauelemente der Vorrichtung.
Tabelle
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Widerstände Werte
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25 27 Ohm
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62 150 kOhm
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65 2,2 kOhm
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66 100 kOhm
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75 10 Ohm
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76 330 kOhm
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86 150 kOhm
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Kondensatoren
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30 470 pF
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33 470 pF
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35 1-2 nF
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71 1 nF
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88 1 nF
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90 3,9 uF
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Induktivitäten
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20 1 uF
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21 1 uF
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Halbleiter
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13 DH 804-01
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60 2N6660
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70 2N3634
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72 2N720A
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74 2N3634
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85 2N720A
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Mit einer solchen Schaltung erhält man eine
Umschaltzeit unterhalb von 5 us vom leitenden in den nichtleitenden
Zustand und umgekehrt.
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Diese Umschaltzeit bleibt erhalten für eine
Wiederholfrequenz des Steuersignals bis zu 500 Hz.