DE4311455C2 - Vorrichtung zur Erzeugung von Spannungs- oder Strompulsen - Google Patents
Vorrichtung zur Erzeugung von Spannungs- oder StrompulsenInfo
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- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K12/00—Producing pulses by distorting or combining sinusoidal waveforms
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- Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung
von Spannungs- oder Strompulsen nach dem Oberbegriff des
Anspruches 1.
Bei dieser bekannten Vorrichtung (DE-OS 25 12 696) sind
die gekoppelten Schwingkreise jeweils auf bestimmte Fre
quenzen abgestimmt. Sämtlichen Schwingkreisen ist eine
Induktivität gemeinsam, an welche eine Ankopplungsschal
tung angeschlossen ist. Die Schwingkreise sind parallel
geschaltet, so daß insgesamt nur maximal zwei Schaltele
mente für alle Schwingkreise eingesetzt werden können.
Die Pulsamplitude des Ausgangssignals darf daher die ma
ximale Sperrspannung der direkt angekoppelten Schaltele
mente nicht überschreiten. Mit Schaltelementen auf Halb
leiterbasis sind damit nur Ausgangssignale mit Amplitu
den unterhalb von 1 kV darstellbar. Auch durch den Ein
satz von Vakuumröhren erhöht sich diese Grenze nur auf
wenige 10 kV. Die Einstellung der Amplituden der einzel
nen Schwingkreise erfolgt über verlustbehaftete ohm′sche
Widerstände.
Es sind auch Schaltungen bekannt (DE-OS 24 29 744), mit
denen eine Synthese von Signalen bestimmter vorgegebener
Bandbreite geschaffen werden kann. Hierfür wird eine
Vervielfacherschaltung vorgeschlagen, die einen Oszilla
tor und nachgeschaltete Multiplizierschaltungen auf
weist. Mit dieser Vorrichtung werden die Signale multi
pliziert.
Es ist auch eine Vorrichtung bekannt (US-PS 3 643 112),
die Pulstransformatoren aufweist, die an einen Umformer
angeschlossen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungs
gemäße Vorrichtung so auszubilden, daß bei kostengünsti
ger Ausbildung nahezu beliebige Spannungsverläufe bei
hohen Wirkungsgraden möglich sind.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Vorrichtung
erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruches 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist jedem Schwing
kreis jeweils eine Induktivität zugeordnet. Zur Ener
gieeinkopplung in jeden dieser Schwingkreise ist jeweils
eine mit der Induktivität magnetisch gekoppelte Hilfsin
duktivität vorgesehen. Darüber hinaus ist für jeden
Schwingkreis eine eigene Ansteuer- und Energieeinkopp
lungsschaltung mit den entsprechenden Schaltelementen
vorgesehen. Mit ihnen kann Energie in die einzelnen
Schwingkreise so eingekoppelt werden, daß die Amplitude
der Spannungsverläufe an den Schwingkreiskapazitäten
bzw. der Stromverläufe durch die Schwingkreisinduktivi
täten Fourierkoeffizienten einer Entwicklung des gefor
derten Ausgangssummensignals nach den Resonanzfrequenzen
der Schwingkreise entsprechen. Die Ausgangssignale der
einzelnen Schwingkreise werden bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Ausgangssummensignal addiert. Die Span
nungsamplitude in jedem Schwingkreis kann über das Win
dungsverhältnis zwischen der jeweiligen Hilfs- und der
Schwingkreisinduktivität eingestellt werden. In jedem
Schwingkreis sind damit Spannungsamplituden darstellbar,
die schon über der maximalen Sperrspannung der Schalt
elemente liegen. Die Summenspannung über allen Schwing
kreisen kann daher auch bei Verwendung von Halbleiter-
Schaltelementen mit maximalen Sperrspannungen um 1 kV
bei über 100 kV liegen. Die Schaltverluste verteilen
sich aufalle Schaltelemente. Die Schwingkreiselemente
werden jeweils nur mit einem Bruchteil der Ausgangsspan
nung bzw. -ströme beaufschlagt, so daß kostengünstige
Bauteile verwendet werden können. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung läßt sich darum sehr preisgünstig fertigen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den wei
teren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand mehrerer in den Zeichnungen
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es
zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeu
gung von Spannungs- oder Strompulsen,
Fig. 2 einen bekannten Generator zur Erzeugung von
Rechteckpulsen,
Fig. 3 den Spannungsverlauf an der Last des Genera
tors gemäß Fig. 2,
Fig. 4 die Spannungsverläufe an Schwingkreiskonden
satoren der Vorrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 5 die resultierende Ausgangsspannung der er
findungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 6 die Ausgangsspannung der Vorrichtung gemäß
Fig. 1 bei allmählicher Energiezufuhr durch
Treiber,
Fig. 7 das Ausgangssignal gemäß Fig. 6 bei einer
Erhöhung der Anzahl der Schwingkreise,
Fig. 8 das Ausgangssignal der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit jeweils einer ungeradzahli
gen Anzahl von Schwingungen im Zeitinter
vall,
Fig. 9 eine weitere Ausführungsform einer erfin
dungsgemäßen Anordnung.
Fig. 2 zeigt einen herkömmlichen Generator zur Erzeugung
von Spannungspulsen. Die Anstiegszeiten und der zulässi
ge Pulsstrom sind durch das Schaltelement 5 bestimmt.
Im Spannungsbereich bis zu einigen Hundert Volt stehen
hier beispielsweise mit Metalloxid-Feldeffekttransisto
ren schnelle Halbleiter zur Verfügung. Das Schaltelement
S kann als steuerbarer Widerstand mit einem nahezu un
endlichen Maximalwert Roff und einem typischen Minimal
wert Ron im Bereich einiger Ohm charakterisiert werden.
Weitere wichtige Kenngrößen sind die maximale Sperrspan
nung Umax und der maximal zulässige Strom Imax. In Fig.
3 ist der Spannungsverlauf an der Last des Generators
gemäß Fig. 2 dargestellt. Parallel zur Spannungsquelle S
ist ein Pufferkondensator C geschaltet. Außerdem ist dem
Schaltelement S die Last RL nachgeschaltet. Wegen der
geringen Wärmekapazität der Schaltelemente S ist auch
bei kleinsten Tastverhältnissen c = t/T nach Fig. 3 eine
Auslegung für den vollen Pulsstrom
IP = U₀/(RL + Ron) (1)
erforderlich. t ist hierbei die Pulsbreite und T der Ab
stand zwischen den Anstiegsflanken aufeinanderfolgender
Pulse.
Bei Lasten mit kapazitivem Anteil und steilflankigen
Pulsen ist bei den kleinsten Tastverhältnissen c = t/T
eine Auslegung für den vollen Strom
IP = U₀/Ron (2)
erforderlich.
Da die ohmsche Verlustleistung des Schaltelementes S im
Pulsbetrieb gegenüber einem von dem gemittelten Strom
cIP durchflossenen Widerstand Ron um den Faktor 1/c
überhöht ist, müssen die Schaltelemente für diese Ver
lustleistung ausgelegt werden. Mit zunehmender Strombe
lastbarkeit der Halbleiter vergrößern sich im allgemei
nen auch deren Schaltzeiten ton und toff (Fig. 3), was
neben einer Abflachung der Pulsflanken auch ein Anwach
sen der Schaltverluste nach der Beziehung
P = U₀²(ton + toff)/(3TRon) (3)
bewirkt. Mit zunehmender Pulsamplitude, steigendem Puls
strom und anwachsender Pulswiederholfrequenz gestaltet
sich der Aufbau derartiger Anordnungen darum immer
schwieriger.
Übersteigt die geforderte Pulsamplitude die maximale
Sperrspannung eines Einzelhalbleiters, so ist eine auf
wendige Kaskadierung exakt synchronisierter Schaltele
mente mit der Folge eines entsprechenden anwachsenden
Innenwiderstandes erforderlich.
Es ist zwar auch die Transformation eines Signals gerin
gerer Amplitude möglich, führt jedoch wegen der unver
meidlichen Streuinduktivität des Übertragers in Verbin
dung mit den kapazitiven Anteilen des Hochspannungskrei
ses zu einer Abflachung der Pulsflanken. Weiterhin ge
staltet sich die gleichzeitige Realisierung einer aus
reichenden Isolation zwischen Primär- und Hochspannungs
wicklung und einer starken magnetischen Koppelung der
Wicklungen schwierig.
Als sehr niederohmige Schaltelemente auch im Hochspan
nungsbereich werden Funkenschalter bzw. Thyratrons ein
gesetzt. Ihr Nachteil besteht u. a. in der begrenzten Re
petitionsfrequenz und im konstruktiven Aufwand dieser
Schalter.
In allen angeführten Konfigurationen ist die Erzeugung
von Spannungspulsen alternierender Polarität nur mit
deutlich erhöhtem Aufwand möglich. Wird eine von Recht
eckpulsen mit steilen Pulsflanken abweichende Pulsform
gefordert, so tritt ein Spannungsabfall an den Schalt
elementen bei gleichzeitigem Stromfluß durch diese
Schaltelemente mit der Folge hoher ohmscher Verluste
auf.
Die Anforderungen an das Schaltelement S des Generators
gemäß Fig. 2 sind deshalb so hoch, weil das Schaltele
ment S während des Pulses mit dem vollem, gegenüber dem
gemittelten Strom stark überhöhten Pulsstrom belastet
wird.
Diese Nachteile treten bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1
nicht mehr auf. Sie stellt einen Energiespeicher aus
passiven, nahezu verlustlosen Bauelementen dar, in den
kontinuierlich auch während der Zeiträume zwischen den
Pulsen Energie bei entsprechend verminderten Strömen
eingebracht wird. Diese Energiezufuhr erfolgt über zahl
reiche Schaltelemente, so daß diese nur sehr geringen
Anforderungen bezüglich der Strombelastbarkeit genügen
müssen. Diese Anordnung ermöglicht außerdem die Darstel
lung nahezu beliebiger Spannungsverläufe, beispielsweise
von Pulsen alternierender Polarität, bei hohen Wirkungs
graden. Auch bei höchsten Signalamplituden sind sehr ge
ringe Innenwiderstände realisierbar.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 besteht beispielhaft aus
sechs gekoppelten Schwingkreisen 1 bis 6. Sie sind hin
tereinandergeschaltet und haben jeweils einen Schwing
kreiskondensator und eine Schwingkreisspule 13 bis 18.
In die Schwingkreise 1 bis 6 wird über mit den Schwing
kreisinduktivitäten 13 bis 18 magnetisch gekoppelte
Hilfswicklungen 19 bis 24 Energie eingekoppelt. Die Re
sonanzfrequenzen der Schwingkreise 1 bis 6 sowie die
Phase und Amplitude der Schwingungen sind gemäß einer
Fourierzerlegung des gewünschten Ausgangssignales 25 so
abgestimmt, daß dieses durch das Summensignal aller
Schwingkreise 1 bis 6 angenähert wird.
In Fig. 1 sind auch die den Schwingkreisen zugehörigen
Treiber 26 bis 31 schematisch dargestellt. Die Schwing
kreise 1 bis 6 sind mit den jeweils zugehörigen Ansteu
er- und Treiberschaltungen zu identischen, kompakten
Baugruppen zusammengefaßt.
Fig. 4 zeigt beispielhaft den Zeitverlauf der Spannungen
an den Schwingkreisen 1 bis 6 sowie in Fig. 5 das resul
tierende Summensignal eines Nadelpulsgenerators aus den
sechs Schwingkreisen im eingeschwungenen Zustand. Die
Schwingkreise 1 bis 6 sind so abgestimmt, daß der
Schwingkreis 6 eine, der Schwingkreis 5 zwei, der
Schwingkreis 4 drei, der Schwingkreis 3 vier, der
Schwingkreis 2 fünf und der Schwingkreis 1 sechs Schwin
gungen je Zeitintervall ausführen. Dieses Zeitintervall
entspricht dem Abstand T (Fig. 3) zweier Pulse. Eine
(nicht dargestellte) Synchronisiervorrichtung stellt die
Phase der Schwingungen so ein, daß gerade zu den vorge
sehenen Zeitpunkten eine konstruktive Addition der Ein
zelspannungen gleicher Amplitude erfolgt. Fig. 5 zeigt
diese konstruktive Addition der einzelnen Spannungen ge
mäß Fig. 4. An den Ausgang der Schaltung gemäß Fig. 1
kann beispielsweise die Elektrodenstruktur einer Gasent
ladung angeschlossen werden, deren Zündspannung vorteil
haft nahe des Spannungsmaximums 32 gewählt ist. Zu die
sem Zeitpunkt ist die elektrische Energie jedes Schwing
kreises 1 bis 6 im jeweiligen Kondensator 7 bis 12 ge
speichert, so daß eine sehr niederohmige Abgabe dieser
Energie möglich ist. Die Flankensteilheit des Entla
dungsstroms wird generatorseitig nur durch den indukti
ven Anteil der hintereinander geschalteten Kondensatoren
7 bis 12 begrenzt.
Nach der Energieabgabe an die Last sind die Schwing
kreiskondensatoren 7 bis 12 entladen. Unmittelbar an
schließend oder nach Eingang eines Triggersignals wird
den Schwingkreisen 1 bis 6 über die Einkoppelwicklungen
19 bis 24 wieder Energie zugeführt. Dadurch nimmt die
Amplitude der Oszillationen stetig zu, bis zum Zeitpunkt
des nächsten Pulses der vorbestimmte Wert erreicht ist.
Fig. 6 zeigt die Ausgangsspannung der Anordnung gemäß
Fig. 1 bei der beschriebenen allmählichen Energiezufuhr
durch die Treiber 26 bis 31. Es ist erkennbar, daß die
Amplitude der Oszillationen allmählich zunimmt, bis der
vorbestimmte Höchstwert erreicht ist.
Durch die Hinzufügung weiterer Schwingkreise können die
Amplitude und die Flankensteilheit der Pulse ohne eine
Änderung der schon vorhandenen Schwingkreise 1 bis 6 er
höht werden. Somit läßt sich die Anordnung durch eine
entsprechende Zahl von Schwingkreisen optimal an die ge
wünschte Amplitude und/oder Flankensteilheit anpassen.
Fig. 7 zeigt das Ausgangssignal bei einer Erhöhung der
Anzahl der Schwingkreise auf zwanzig. Wie Fig. 7 zeigt,
wird durch die Hinzufügung weiterer Schwingkreise auch
das Verhältnis zwischen den Pulsamplituden und der Am
plitude des Summensignales zwischen den Pulsen erhöht.
Durch den Einsatz eines nichtlinearen Gliedes, bei
spielsweise einer sättigbaren Induktivität, zwischen der
Pulsspannungsquelle und der Last kann die Energieabgabe
an diese zwischen den Pulsen weiter verringert wird.
Fig. 8 zeigt das Ausgangssignal einer Vorrichtung, die
zwanzig Schwingkreise aufweist, die mit jeweils ungerad
zahliger Anzahl von Schwingungen im Zeitintervall T ar
beiten. Werden solche Schwingkreise gekoppelt, so ent
stehen, wie Fig. 8 zeigt, Hochspannungspulse mit alter
nierender Polarität.
Fig. 9 zeigt eine Vorrichtung, bei der die Schwingkreise
1a bis 3a parallel geschaltet sind. Die Schwingkreise
haben ebenfalls die Kondensatoren 7a bis 9a und die In
duktivitäten 13a bis 15a, die vorzugsweise Spulen sind.
Mit den Schwingkreisinduktivitäten 13a bis 15a sind wie
derum Hilfswicklungen 19a bis 21a magnetisch gekoppelt.
Über diese Hilfswicklungen 19a bis 21a kann in die
Schwingkreise 1a bis 3a Energie eingekoppelt werden. Die
entsprechenden Treiber sind mit 26a bis 28a bezeichnet.
Aufgrund der Parallelschaltung der Schwingkreise 1a bis
3a addieren sich die Ströme in der allen Schwingkreisen
gemeinsamen Leitungsverbindung 33.
Der bei Einsatz dieser Vorrichtung sich ergebende resul
tierende Strom zeigt wieder den Verlauf entsprechend den
Fig. 4 bis 8. Auf eine Potentialtrennung zwischen den
Einkoppelwicklungen 19a bis 21a und den Schwingkreisen
1a bis 3a kann verzichtet werden.
Die Schwingkreiselemente beider Schaltungsvarianten nach
den Fig. 1 und 9 werden jeweils nur mit einem Bruchteil
der Ausgangsspannung bzw. der Ströme der Anordnung be
aufschlagt, so daß kostengünstige Bauteile eingesetzt
werden können. An die Stärke der Kopplung zwischen der
Hilfs- und der Schwingkreiswicklung werden keine hohen
Anforderungen gestellt, so daß die Forderung nach einer
hohen Isolation und kleinen Koppelkapazitäten zwischen
diesen Wicklungen ohne Aufwand erfüllt werden kann.
Die Schwingkreise 1 bis 6, 1a bis 3a können mit den je
weils zugehörigen Ansteuer- und Treiberschaltungen 26
bis 31, 26a bis 28a zu weitgehend identischen, kompakten
Baugruppen zusammengefaßt und vorzugsweise über variable
Kerninduktivitäten bei gleichen Windungszahlen und
Schwingkreiskapazitäten auf die geforderten Resonanzfre
quenzen abgestimmt werden. Die Generierung der Ansteuer
signale kann beispielsweise durch programmierbare PLL-
Schaltungen aus einem gemeinsamen Synchronisationssignal
erfolgen. Die Einstellung der Schwingungsamplituden kann
beispielsweise über eine Variation der Energiezufuhr
durch die Treiberschaltungen 26 bis 31, 26a bis 28a in
einer geeigneten Regelschleife erfolgen.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglichen die
Erzeugung nahezu beliebiger Spannungs- und Stromverläu
fe, insbesondere steilflankiger Pulse mit hoher Amplitu
de. Die Einrichtung ist modular aus nahezu identischen
Baugruppen zusammengesetzt, an deren Elemente nur gerin
ge Anforderungen gestellt werden. Die Herstellkosten
dieser Einrichtungen sind daher niedriger als diejenigen
herkömmlicher Leistungs-Pulsgeneratoren, an deren
Schaltelemente hohe Anforderungen bezüglich Schaltge
schwindigkeit und Pulsbelastbarkeit gestellt werden.
Claims (4)
1. Vorrichtung zur Erzeugung von Spannungs- oder Strom
pulsen, mit einem durch gekoppelte Schwingkreise ge
bildeten Energiespeicher, der Kapazitäten und eine
Induktivität aufweist, und mit einer Ansteuerschal
tung für die Schwingkreise,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkreise (1 bis
6, 1a bis 3a) jeweils eine Induktivität (13 bis 18,
13a bis 15a) aufweisen, daß zur Energieeinkopplung
in jeden Schwingkreis (1 bis 6, 1a bis 3a) jeweils
eine mit der jeweiligen Induktivität (13 bis 18, 13a
bis 15a) magnetisch gekoppelte Hilfsinduktivität (19
bis 24, 19a bis 21a) vorgesehen ist, und daß für je
den Schwingkreis (1 bis 6, 1a bis 3a) eine eigene
Ansteuer- und Energieeinkopplungsschaltung mit
Schaltelementen (26 bis 31, 26a bis 28a) vorgesehen
ist, mit denen in die Schwingkreise (1 bis 6, 1a bis
3a) Energie derart einkoppelbar ist, daß die Ampli
tude der Spannungsverläufe an den Schwingkreiskapa
zitäten (7 bis 12, 7a bis 9a) bzw. der Stromverläufe
durch die Schwingkreisinduktivitäten (13 bis 18, 13a
bis 15a) Fourierkoeffizienten einer Entwicklung des
geforderten Ausgangssummensignals nach den Resonanz
frequenzen der Schwingkreise (1 bis 6, 1a bis 3a)
entsprechen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkreise (1 bis
6) in Serie geschaltet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkreise (1a
bis 3a) parallel geschaltet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkreise (1 bis
6, 1a bis 3a) mit den zugehörigen Schaltelementen
(26 bis 31, 26a bis 28a) und Ansteuerschaltungen zu
weitgehend identischen Baugruppen zusammengefaßt
sind.
Priority Applications (3)
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Publications (2)
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