Schaltungsanordnung zur Erzeugung von exakten Rechteckimpulsen Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von exakten Rechteckimpulsen aus je zwei zeitlich verschobenen, die Ausgangsimpulsbreite bestimmenden Nadelimpulsen. Als exakter Rechteck impuls soll hier ein Rechteckimpuls mit einer An stiegszeit < 5 ns und mit einem Überschwingen ein schliesslich der Dachschräge und sonstiger Welligkeit < 2" @ der Impulshöhe verstanden werden.
Es sind Schaltungen bekannt, bei denen die zur Erzeugung des Rechteckimpulses notwendige Sprung funktion durch Addition zweier komplementärer e- Funktionen erzeugt wird. Abgesehen vom grossen Aufwand und dem grossen Stromverbrauch ist es praktisch nicht möglich, mit diesem Prinzip einen überschwingfreien Rechteckimpuls zu erzeugen, denn in der Rückflanke der dazu benötigten Nadelimpulse sind ausser der e-Funktion unvermeidbare Schwingungen enthalten, die sich auf der zweiten e-Funktion um gekehrter Phase nicht so nachbilden lassen, dass sie sich bei der Addition aufheben.
Die bekannten mechanischen Verfahren sollen hier nicht weiter aufgeführt werden, da sie den Nach teil zu niedriger Impulsfolgefrequenzen haben.
Eine andere bekannte Schaltung arbeitet nach dem Prinzip, zu Beginn des Rechteckimpulses über eine Laderöhre einen Kondensator zu laden und am Im pulsende über eine Entladeröhre wieder zu entladen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass ent weder eine relativ grosse Kapazität geladen und ent laden werden muss, um das Überschwingen und die Welligkeit im Impulsdach klein zu halten, dann ist zwangläufig die Flankensteilheit nicht gross, oder es wird bei grosser Flankensteilheit eine relativ kleine Kapazität aufgeladen und entladen, dann ist die Folge ein grosses Überschwingen und eine grosse Welligkeit im Impulsdach. Da eine Steuerung der Lade- und Entladeröhre z.
B. mit Nadelimpulsen er- folgt, muss deren steile Vorderflanke über die stö rende innere Röhrenkapazität auf die umzuladende Kapazität ein Überschwingen übertragen, ebenso wie die Rückflanke einen Einbruch im Impulsdach und sonstige Welligkeiten verursacht. Der Versuch, diese Nachteile zu beseitigen, führt zu dem Ergebnis, dass die umzuladende Kapazität sehr gross gegen die inne ren schädlichen Röhrenkapazitäten gemacht werden muss. Eine grosse Kapazität umzuladen, bedeutet ent weder eine geringe Flankensteilheit oder einen sehr grossen Strom, das heisst diese Schaltung kann ent weder die eingangs erwähnten Forderungen nicht er füllen, oder sie arbeitet äusserst unwirtschaftlich.
Diese Nachteile der bekannten Schaltungsanord nungen werden durch die Schaltanordnung nach dieser Erfindung vermieden, wobei durch eine Lade röhre zu Beginn des jeweiligen Rechteckimpulses eine Kapazität aufgeladen und am Ende des Rechteck impulses durch eine Entladeröhre entladen wird.
Die Schaltungsanordnung nach dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die negative Gitter vorspannung der Laderöhre so gross gewählt ist, dass während der positiven Nadelimpulse ihr Steuergitter niemals positiver werden kann als ihre Kathode, dass die zwischen Steuergitter und Kathode der Laderöhre liegende innere Röhren- und äussere Schaltungskapa zität mittels einer Neutralisationsschaltung neutrali siert wird, dass die Kapazität, die aufgeladen und ent laden wird, nur aus äusseren unvermeidlichen Ver- drahtungskapazitäten und inneren Röhrenkapazitäten der Laderöhre,
der Entladeröhre und einer Endröhre besteht und dass die in C-Einstellung betriebene End- röhre entweder durch eine geeignete Festlegung ihres Kathodenpotentials oder durch eine hinreichende Grösse der negativen Gittervorspannung für die Lade röhre niemals Gitterstrom zieht, dadurch, dass ihr Steuergitter nie positiver wird als ihre Kathode. Mit einer zweckmässig ausgebildeten erfindungs gemässen Schaltung lassen sich folgende vorteilhafte Eigenschaften erzielen: 1.
Die Impulshöhe der Rechteckimpulse ist durch das Schaltungsprinzip weder nach oben noch nach unten begrenzt; Grenzen werden gesetzt durch die Daten der verwendeten Röhren, durch die Grösse des Netzteiles und den Aufwand an Siebmitteln, durch, die geforderten Flankensteilheiten und durch die Höhe der zugelassenen Welligkeit im Impulsdach.
2. Die Schaltung lässt sowohl eine Grob- wie auch Feinregelung der Impulshöhe in einem grossen Bereich zu.
3. Impulsfolgefrequenz und Impulsdauer können variabel sein; Grenzen sind hier durch die Daten der verwendeten Röhren und durch die Grösse des Netz teiles gegeben.
4. Die Schaltung ist äusserst stromsparend. Der Strom wird, abgesehen von der Heizung, hauptsäch lich durch die Impulsleistung der Endröhre bestimmt.
5. Die maximale Flankensteilheit ist durch die Steilheit der Nadelimpulse und die Dimensionierung der Schaltung gegeben. Die erfindungsgemässe Schal tung hat weiterhin den Vorteil, dass nur eine sehr kleine Kapazität umgeladen wird und ist damit den bekannten Schaltungen überlegen.
6. Die zum Steuern verwendeten Nadelimpulse sind in ihrer Form nicht kritisch. Von einem Impuls beliebiger Form geht nur die erste positive Flanke, gerechnet von der Nullinie bis zum Scheitelpunkt des Impulses, auf die Flankensteilheit und die Flanken- linearität des Rechteckimpulses ein. Der abfallende Teil nach überschreiten des Scheitelpunktes kann be liebig auslaufen, z. B. kann auch mit einer gedämpf ten Schwingung gearbeitet werden, da von ihr nur die erste Viertelperiode den zu erzeugenden Rechteck impuls beeinflusst. Ein neuer Steuerimpuls darf immer erst dann folgen, wenn der vorhergehende abgeklun gen ist.
7. In der erfindungsgemässen Schaltung ist die Verwendung von Hochvakuumröhren am vorteilhaf testen; sie schliesst jedoch die Verwendung von Thy- ratronen an einzelnen Stellen nicht aus, wenn der durch die statisch schwankenden Zündverzugszeiten entste hende Jitter und die Begrenzung der Impulsfolgefre- quenz durch die Entionisierungszeit in Kauf genom men werden.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schaltung, die in einem Impuls generator Anwendung findet, dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 eine Gesamtansicht der Schaltung eines Impulsgenerators, in dem die erfindungsgemässe Schal tungsanordnung verwendet wird, Fig. 2 die Neutralisationsschaltung der Laderöhre 12 mit den wirksamen Kapazitäten, Fig. 3a <B>...</B><I>h</I> den Impulsverlauf an den entspre chenden Punkten der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1, Fig. 3a Steuerrechteckimpuls des Multivibrators 1,
Fig.3b Impuls am Steuergitter der Flankenver- steilerungsröhre 6, Fig.3c Impuls am Steuergitter der Flankenver- steilerungsröhre 7, Fig. 3d Impuls am Steuergitter der Laderöhre 12, Fig. 3e Impuls am Steuergitter der Entlade röhre 13, Fig. 3f Impuls am Steuergitter der Endröhre 15 mit Neutralisation durch die Neutralisationskonden- satoren 10 und 11,
Fig. 3g Impuls am Steuergitter der Endröhre 15 ohne Neutralisation durch die Neutralisationskonden- satoren 10 und 11, Fig. 3h Ausgangsimpuls am Widerstand 20 mit Neutralisation.
Gemäss Fig. 1 liegt an Masse das Potential null. Die zugeführten positiven Spannungen sind nach ihren steigenden Werten geordnet mit + U1 bis <B>+U4</B> bezeichnet. Entsprechend gelten für die nega tiven Vorspannungen die Bezeichnungen - V 1 bis - V3. Das Impulsschema entsprechend Fig. 3 ist nur qualitativ zu bewerten. Es zeigt den ungefähren Ver lauf der Spannungsimpulse an den wichtigsten Punk ten der Schaltung und ist bezüglich der Spannungen und Zeiten nicht massstabgerecht.
Gemäss Fig. 1 werden Steuerrechteckimpulse (Fig. 3a) z. B. von einem Multivibrator 1 erzeugt. Die differenzierte Vorderflanke des jeweiligen Steuerrecht eckimpulses löst einen Sperrschwinger 2 aus, der einen Nadelimpuls mit grösserer Amplitude und mit grösserer Flankensteilheit erzeugt. Das gleiche ge schieht mit der Rückflanke des Steuerrechteckimpul- ses über einen zweiten Sperrschwinger 3. Es stehen nunmehr an den Ausgängen der Sperrschwinger 2 und 3 je ein positiver flankenversteilerter Nadel impuls zur Verfügung.
Diese Nadelimpulse sind um die Impulsdauer des Steuerrechteckimpulses zeitlich gegeneinander versetzt. Sie werden jeweils über einen Kathodenverstärker 4 und 5 zwei Flankenversteile- rungsröhren 6 und 7 zugeführt (Fig. 3b und 3c). Das Zwischenschalten der Kathodenverstärker 4 und 5 ist zweckmässig, um die Flankenversteilerungsröhren 6 und 7 bis ins Gitterstromgebiet durchsteuern zu können.
Die Flankenversteilerung wird nach folgendem bekanntem Prinzip durchgeführt: Die Flankenversteilerungsröhren 6 und 7 sind während der Impulspausen gesperrt. Mit den positiven Nadelimpulsen werden sie weit ins Gitterstromgebiet gesteuert und ziehen kurzzeitig starke Anodenströme. Diese Anodenströme entladen die Ausgangskapa zitäten der Flankenversteilerungsröhren 6 und 7. Als Ausgangskapazität soll hier die Kapazität der Röhre 6 bzw. 7 verstanden werden, die von der Anode nach der Kathode bzw. im vorliegenden Beispiel nach Masse wirkt.
Sie setzt sich zusammen aus der Röhren ausgangskapazität (Kapazität von Anode nach Brems gitter plus Kapazität von Anode nach Schirmgitter plus Kapazität von Anode nach Kathode), einem Teil der Wicklungskapazität des Transformators 8 bzw. 9 und einer Kapazität der Verdrahtung gegen Masse. Diese Ausgangskapazitäten sind während der Impuls pausen auf das Potential +U4 aufgeladen und werden durch die Anodenströme bis fast auf das Potential null entladen. Diese Potentialdifferenz tritt als steiler negativer Nadelimpuls an der Primärseite des Im pulstransformators 8 bzw. 9 auf. Die erreichte Flan kensteilheit ist in erster Näherung proportional dem Anodenstrom der Flankenversteilerungsröhre und um gekehrt proportional der Grösse der entladenen Kapa zität.
Es lassen sich mit diesem Prinzip leicht Flan- kensteilheiten von z. B. 50 V/ns und mehr erreichen bei Impulsspannungen von einigen hundert Volt. Die für dieses Prinzip verwendeten Röhren müssen grosse Impulsströme abgeben können und möglichst kleine Röhrenausgangskapazitäten aufweisen. Ferner ist wichtig, dass die Impulstransformatoren 8 und 9, wie überhaupt die ganze Schaltung, äusserst kapazitätsarm aufgebaut sind und die Leitungsführung mit gering sten Verdrahtungsinduktivitäten ausgeführt wird. Die Impulstransformatoren haben zunächst die Aufgabe, eine Umkehr der Polarität der steilen Nadelimpulse zu bewirken.
Aus dem negativen Impuls der Primär seite wird auf der Sekundärseite ein positiver Impuls zum Steuern der nächsten Röhre. Das übersetzungs- verhältnis ist etwa<U>1 : -1.</U> Das genaue Übersetzungs verhältnis richtet sich nach der Grösse der Kapazitäten auf der Primär- und Sekundärseite und ist mitbestim mend für die maximal erzielbare Flankensteilheit.
Die Funktion der Laderöhre 12 soll nun nach Fig. 2 näher beschrieben werden. Fig. 2 ist ein etwas umgezeichneter Teil der Fig. 1, dem die gestrichelt ge zeichneten wirksamen Schalt- und Röhrenkapazitäten hinzugefügt sind. 21 ist die schon definierte Aus gangskapazität der Röhre 6, 22 ist die an der Sekun därseite des Impulstransformators 8 gegen Masse wir kende Kapazität und setzt sich zusammen aus einer Kapazität der Sekundärwicklung gegen Masse, einer Kapazität des Steuergitters der Laderöhre 12 gegen die nach Masse verblockten Elektroden und der Kapazität der Verdrahtung gegen Masse. 23 ist die Kapazität, mit der die Primär- und die Sekundär wicklung verkoppelt ist.
24 ist die zwischen Steuer gitter und Kathode der Laderöhre 12 wirksame Kapa zität, die mit der einstellbaren Kapazität 10 neutrali siert werden soll, und 25 ist die aufzuladende Kapa zität, die sich zusammensetzt aus der Kapazität zwi schen Kathode und Heizfaden der Laderöhre (falls z. B. der Heizfaden direkt oder kapazitiv auf Masse liegt), der Ausgangskapazität der Entladeröhre 13, der Eingangskapazität der Endröhre 15, die im we sentlichen aus der Kapazität des Steuergitters gegen Kathode, gegen Schirmgitter und gegen Bremsgitter besteht und der Verdrahtungskapazität gegen Masse.
Bevor der Ladeimpuls wirksam wird, hat das Steuer gitter der Laderöhre 12 das Potential - V2 und ihre Kathode ein weniger negatives Potential (etwa - Vl), so dass die Laderöhre 12 gesperrt ist. Ein von der Röhre 6 gelieferter flankensteiler Nadelimpuls Up wird auf der Sekundärseite des Transformators 8 ein für die Laderöhre 12 positiver Steuerimpuls U6 ge mäss Fig. 3d. Die Laderöhre 12 zieht einen Kathoden strom, der die Kapazität 25 auflädt.
Wie aus dem Impulsschema Fig. 3g ersichtlich ist, wird ohne die einstellbare Kapazität 10 keine saubere Sprungfunk- tion erzeugt, weil der Nadelimpuls U, kapazitiv über 24 auf 25 übertragen wird, so dass sich durch die positive Vorderflanke von US ein Überschwingen und durch die negative Rückflanke des Nadelimpulses U, ein tiefer Einbruch mit eventuell allmählichem Aus schwingen ergibt. Wenn nun z.
B. der Betrag von U±, genau gleich dem Betrag von US ist und die Kapazi täten 24 und 10 ebenfalls gleich sind, wird die Kapa zität 25 nur noch von dem Kathodenstrom der Lade röhre aufgeladen und nicht mehr von dem Nadel impuls U, kapazitiv beeinflusst (Fig.3f), denn US verursacht über 24 eine Spannung an 25, die aber durch den gleich grossen entgegengesetzten Einfluss von UI, über 10 aufgehoben wird.
Allgemein gilt: Up/U, = (Kapazität 24) / (Kapa zität 10). Voraussetzung für das einwandfreie Arbei ten dieser Neutralisationsschaltung ist, dass der Im pulstransformator 8 äusserst streuungsarm ist; emp fohlen wird ein einlagig auf dem ganzen Umfang be wickelter Ringkern aus einem hochpermeabeln Hoch frequenzeisen, bei dem die Sekundärwindungen mit genügend Abstand (um die Kapazität nicht zu gross werden zu lassen) zwischen den Primärwindungen liegen.
Ausserdem darf die Laderöhre 12 keinen grö sseren Gitterstrom ziehen, der die Neutralisation stört, denn ein Gitterstrom bedeutet hier, dass sich der Ka pazität 24 ein Wirkwiderstand parallel schaltet und das Brückengleichgewicht gestört wird. Die Gefahr von Gitterstrom wird dadurch verringert, dass als Laderöhre 12 eine steile und stromergiebige Röhre verwendet wird. Die negative Gittervorspannung - V2 der Laderöhre wird so eingestellt, dass noch kein Gitterstrom fliesst bzw. dass die Neutralisation gerade noch nicht gestört wird. Ein Vergrössern der nega tiven Vorspannung - V2 hat zur Folge, dass die Kapa zität 25 auf eine kleinere Spannung aufgeladen wird.
Die Laderöhre 12 kann mit einem Kathodenverstär ker verglichen werden. Die Steuerspannung ist <I>- V2 +</I> US. <I>Je</I> grösser die negative Vorspannung - V2, umso kleiner wird die Steuerspannung und damit die Spannung an der Kathode, das heisst an der Kapazität 25. Durch eine Regelung von - V2 ist eine Impuls- höhenregelung möglich.
Die Flankenversteilerungs- röhre 7 steuert mit einem steilen Nadelimpuls (Fig. 3e) über den Impulstransformator 9 die Entladeröhre 13, die während der Impulspausen durch die negative Gittervorspannung - V3 gesperrt ist.
Der Anoden strom der Röhre 13 entlädt die von der Laderöhre 12 aufgeladene Kapazität 25, so dass an dieser Kapazität ein positiver Rechteckimpuls entsteht (Fig. 3f). Bei zu grosser Gitteranodenkapazität der Röhre 13 kann auch in dieser Stufe (ähnlich wie bei der Laderöhre 12) eine Störung auftreten.
Der positive Nadelimpuls am Steuergitter der Entladeröhre 13 wird über die Gitter- anodenkapazität auf die Kapazität 25 übertragen und verursacht unmittelbar vor deren Entladung ein posi tives Überschwingen (Fig.3g). Diese Störung lässt sich durch die Neutralisationskapazität 11 beseitigen, die entsprechend der kleinen Gitteranodenkapazität auf einen kleinen Wert einzustellen ist.
Für diese Neu tralisationsschaltung und für den Impulstransfor mator 9 gilt das gleiche wie für die Neutralisations- schaltung vor der Laderöhre 12 und den Impulstrans formator 8, ausser dass eine Übersteuerung der Ent- laderöhre 13 (also ein Gitterstrom) keine Störung dieser Neutralisation verursacht. Es ist sogar zweck mässig, die Entladeröhre 13 mit den Nadelimpulsen (Fig.3e) bis ins Gitterstromgebiet auszusteuern und mit ihr eine zusätzliche Flankenversteilerung durch zuführen.
Mit dem von der Laderöhre 12 und der Entladeröhre 13 erzeugten Rechteckimpuls (Fig. 3f) wird die Endröhre 15 gesteuert. Die Verbindung zwi schen der Kathode von 12, der Anode von 13 und dem Steuergitter von 15 soll äusserst kurz sein, also induktions- und kapazitätsarm. Die Röhrenkapazi täten bilden mit den Zuleitungsinduktivitäten einen Schwingkreis, der durch die steilen Impulsflanken angestossen wird.
Dadurch verursachte Störungen las sen sich durch das zusätzliche Einfügen kleiner Dämp- fungswiderstände beseitigen (z. B. Dämpfungswider- stand 14). Die Endröhre 15 darf keinen Gitterstrom ziehen, denn das würde ein vorzeitiges teilweises Ent laden der Kapazität 25 und damit einen Abfall des Impulsdaches bedeuten.
Ihr Steuergitterpotential be wegt sich zwischen etwa - V1 und null bzw. dem Gitterstromeinsatzpunkt. Bei Gitterpotential null zieht sie ihren grössten Anodenstrom und überträgt, ent sprechend der bekannten C-Einstellung, den oberen Teil des Rechteckimpulses mit dem geraden Impuls dach. Sie arbeitet auf ein mit dem Wellenwiderstand abgeschlossenes Kabel 18.
Der nunmehr negative Rechteckimpuls wird z. B. an dem Widerstand 20 des Ausgangsspannungsteilers, bestehend aus Widerstand 19 + 20, abgegriffen (Fig. 3h), um so die Beeinflussung des Wellenwider standes von aussen klein zu halten. Ausserdem ist es zweckmässig, den Ausgangsspannungsteiler (19 + 20) gegen solche mit anderen Teilverhältnissen. austausch bar zu machen.
Damit die Endröhre 15 keine Wellig- keiten im Rechteckimpuls verursacht, ist es wichtig, ihre Schirmgitter- und Anodenverblockung 16 und 17 äusserst induktivitätsarm durchzuführen, was durch Parallelschalten mehrerer Kondensatoren mit kürze ster, möglichst grossflächiger Leitungsführung (z. B. mit Band) erreicht wird.
Unter Verzicht auf die be schriebene Impulshöhenregelung durch Verändern der negativen Vorspannung - V2 kann ein restliches Überschwingen und Welligkeit im Impulsdach des Steuerrechteckimpulses für die Endröhre 15 im Aus gangsimpuls noch weiter verringert werden, dadurch, dass die Endröhre 15 eine Impulsbegrenzung über nimmt. Die Endröhre 15 wird z.
B. mit jedem Recht- eckimpuls bis zum Gitterstromeinsatzpunkt aus gesteuert, die Spannungen + <B>UI</B> und<B>1-U2</B> sind so eingestellt, dass die Spannung an der Anode der End- röhre 15 bei Vollaussteuerung bis zur Knickspannung absinkt. Bei weiterem Ansteigen der Steuerspannung (z. B. Überschwingen) steigt nur noch der Schirmgit- terstrom; der Anodenstrom bleibt konstant.