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Sehaltungsanordnung zur Erzeugung eines sägezahnförmigen Stromverlaufs, insbesondere zur magnetischen Ablenkung von Kathodenstrahlen für Fernsehzwecke.
In der britischen Patentschrift 400976 ist eine Schaltungsanordnung beschrieben, mit welcher ein sägezahnförmig verlaufender Strom erzeugt werden kann, wie man ihn insbesondere zur magnetischen
Ablenkung von Kathodenstrahlen verwendet. Bei dieser Schaltungsanordnung liegt die Ablenkspule in Reihe mit einer steuerbaren Röhre und einer Gleichspannungsquelle in einem Stromkreis und gleich- zeitig mit einem Gleichrichter und derselben Gleichspannungsquelle in einem andern Stromkreis. Bei dieser bekannten Schaltung ist es, wie im folgenden noch näher erläutert werden soll, notwendig, an dem Steuergitter der in einem Stromzweig liegenden Röhre Impulse besonders grosser Spannungshöhe zu verwenden, wenn ein sägezahnförmiger Stromverlauf erzeugt werden soll.
Gemäss der Erfindung lässt sich eine Verbesserung dadurch erreichen, dass man in den Zweig der steuerbaren Röhre eine grössere Gleichspannungsquelle legt als in den Gleiehrichterzweig und als steuerbare Röhre eine Röhre mit Schirmgitter verwendet.
Die Erklärung der Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispieles, das in
Fig. 3 dargestellt ist, und an Hand der in Fig. 2 dargestellten Kurven gegeben. Zuvor soll jedoch an Hand der Fig. 1 die in der britischen Patentschrift beschriebene Schaltungsanordnung erläutert werden, wobei ebenfalls auf die Kurven in Fig. 2 Bezug genommen werden wird.
Die bekannte Schaltung besteht, wie in Fig. 1 veranschaulicht, aus der Ablenkspule 10, die mit der Kathoden-Anodenstrecke der Triode 11 und der Gleichspannungsquelle 12 einen geschlossenen
Stromkreis bildet und gleichzeitig noch in einem weiteren Stromkreis liegt, der ebenfalls die Gleichspannungsquelle 12 und ferner eine Diode 13 enthält.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser bekannten Schaltung soll angenommen werden, dass im Anfangspunkt der Betrachtung, d. h. im Zeitpunkt to, der Strom in der Spule Null sein möge und das Steuergitter der Triode sich auf einem derartigen Potential befinde, dass ein Anodenstrom zu fliessen beginnt. Dementsprechend beginnt in Fig. 2 a, welche den Strom is in der Spule darstellen soll, der zu erläuternde Stromverlauf bei dem Strom Null und in der Fig. 2 b, welche den Spannungsverlauf am Steuergitter der Triode 11 darstellt, möge die Spannung an irgendeinem Punkte zwischen der 0-Achse und dem Gitterspannungswert ec, bei welchem der Anodenstrom der Triode verschwindet, beginnen.
Unter den erwähnten Voraussetzungen liegt an der Ablenkspule 10 eine konstante Spannung, u. zw., wenn man von dem inneren Widerstand der Triode 11 absieht, die Spannung der Batterie 12, so dass der Strom in der Spule 10 zeitproportional ansteigen muss. Dies ist in der Fig. 2 a innerhalb der Zeit to, t1 eingezeichnet. Die Stromrichtung in der Spule ist dabei durch den Pfeil 14 gegeben. Der Stromzweig mit der Diode 13 ist während der Zeit to, t1 stromlos, da die Anode dieser Diode (unter Voraussetzung eines inneren Widerstandes Null der Triode 11) auf demselben Potential wie die Diodenkathode liegt. Im Zeitpunkt t1 wird dann an das Gitter der Triode ein Impuls gelegt, welcher den Anodenstrom unterbricht.
In Fig. 2 b verläuft die Kurve eg also im Zeitpunkt t1 senkrecht nach unten und bleibt bei einer rechteckigen Impulsform zunächst unterhalb des Wertes en. Die Spule 10, in welcher im Zeitpunkt t1 noch die durch den Pfeil 14 gegebene Stromrichtung vorhanden war, beginnt nun freie' Schwingungen auszuführen, da die Induktivität der Spule zusammen mit ihrer eigenen Kapazität
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ein schwingungsfähiges Gebilde darstellt. Im Verlauf der ersten Halbperiode dieser freien Schwingungen geht der Strom von dem Maximalwert, den er im Zeitpunkt t1 besitzt, durch Null hindurch auf einen Maximalwert umgekehrter Richtung, d. h. es fliesst im Zeitpunkt t2 ein Strom umgekehrter Richtung durch die Spule 10 hindurch wie im Zeitpunkt f1.
Die Spannung Es an der Spule 10, welche in der Zeit to, t1 gleich der Spannung der Batterie 12 war. steigt bis zum Nulldurehgang des Spulenstromes an und fällt dann wieder ab. Im Zeitpunkt t2 geht die Spannung Es an der Spule, deren Verlauf in Fig. 2 c dargestellt ist, wieder durch Null und steigt in der umgekehrten Richtung an.
Sobald dabei die Spannung Es denselben Wert erreicht, den die Batterie 12 besitzt, liegt an der Diode 13 die Spannung Null, und sobald die Spannung Es etwas grösser geworden ist, wird die Diode stromdurehlässig, wenn man den Innenwiderstand der Diode vernachlässigt, liegt also vom Zeitpunkt ab, in welchem
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quotienten des Spulenstromes nur von der Grösse der an der Spule liegenden Spannung abhängt, wobei das Vorzeichen des Differentialquotienten durch die Polarität der an der Spule liegenden Spannung bestimmt wird, und da von dem Zeitpunkt ab, in welchem die Diode 13 wieder stromdurchlässig geworden ist, Grösse und Vorzeichen der an der Spule liegenden Spannung (Batterie 12) dieselben sind wie während der Zeit to, "t1,
muss aueh der Differentialquotient des Stromes bis zum Zeitpunkte t3 wieder denselben Betrag haben wie in der Zeitspanne to, t1, d. h., dass der Spulenstrom bis zum Zeitpunkt t3 so verlaufen muss, wie es in der Fig. 2 a dargestellt ist. Es soll noch ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass die erste Maxwell'sche Gleichung, welche bekanntlich aussagt, dass der Differentialquotient des Stromes in einer Spule der Spannung an ihren Klemmen proportional ist, für positiven sowohl wie für negativen Spulenstrom erfüllt werden kann.
Die Spannung Es an der Spule hat während dieser Zeit, wie in Fig. 2 c eingezeichnet, denselben Wert wie während der Zeit , t1. Die Gitterspannung der Triode 11, welche bis zum Zeitpunkt eine
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durch einen punktiert gezeichneten Verlauf dargestellt, und muss nur vor dem Zeitpunkt t 3 die Triode 11 wieder stromdurchlässig machen. Im Zeitpunkt t3 ist nämlich der Strom in der Spule 10 auf den Wert
Null abgeklungen und es muss daher wieder über die Triode 11 ein Strom für die Spule fliessen, um die zweite Hälfte der schwach geneigten Sägezahnflanke zu erzeugen, wie es für die Zeit to, t1 oben erläutert worden ist.
Wenn man auch den endliehen inneren Widerstand der Triode 11 und der Diode 13 berück- sichtigen will, so subtrahiert sich von der Spannung 12 während der Zeit to, t1 der Spannungsabfall an der Triode 11 und während der Zeit t2, t3 addiert sieh zur Spannung 12 der Spannungsabfall an der Diode 13. Die in Fig. 2 a und 2 c dargestellten Verhältnisse erfahren dadurch eine gewisse Abänderung.
Die Spannung Es weicht dann nämlich während der Zeit to, t1 um einen Betrag, der dem inneren Widerstand der Triode 11 entspricht, von dem in Fig. 2 c dargestellten Verlauf ab und während der Zeit . um einen Betrag entsprechend dem inneren Widerstand der Diode 13.
Nun liegt der Innenwiderstand einer Triode in der Grössenordnung von 1000 Ohm und derjenige einer Diode in der Grössenordnung von 100 Ohm. Aus diesen Gründen ist während der Zeit to, 11 in Wirklichkeit eine viel kleinere Spannung an der Spule 10 vorhanden als während der Zeit t2, t3. Diese Tatsache ist für das Verständnis der Erfindung von grösster Bedeutung.
Die bekannte Schaltung nach Fig. 1 ist nun insofern mit einem sehr schwer wiegenden Nachteil behaftet, als in der Zeit , t2 die Spannung Es auf einen Wert von mehreren 1000 Volt ansteigt und deshalb am Steuergitter der Triode 11 eine sehr grosse Spannung f aufgewendet werden muss, um die Sperrung der Triode aufrechtzuerhalten.
Es erschien auch zunächst unmöglich die notwendige Gitterspannung durch Verwendung einer Röhre mit geringem Durchgriff, also einer Röhre mit Schirmgitter, an Stelle der Triode herabzusetzen, da nämlich der Innenwiderstand einer Schirmgitterröhre weit grösser ist als derjenige einer Triode und deshalb der Unterschied in der Spulenspannung noch grösser werden würde, als es im Falle der Fig. 1 ohnehin schon der Fall ist : 1
Gemäss der Erfindung wird die notwendige Gitterspannung dadurch verkleinert. dass die Spannung im Diodenzweig kleiner gemacht wird als im Zweige der gesteuerten Röhre, und dass an Stelle der Triode eine Röhre mit Schirmgitter eingeschaltet wird. Die Schaltungsanordnung hat dann die in Fig. 3 dargestellte Gestalt.
In dem Diodenzweig liegt also dann nur der rechte Teil a der Spannungsquelle 12, während in dem Zweig der Röhre 15, welche an Stelle der Triode 11 in Fig. 1 tritt, die gesamte Spannung 12 vorhanden ist.
Diese scheinbar geringfügige Änderung in der Schaltungsanordnung beeinflusst jedoch die Wirkungsweise in ganz entscheidendem Masse. Die Gitterspannung eg an dem Steuergitter der Röhre 15 verläuft qualitativ auch bei der Schaltung gemäss der Erfindung, so wie in Fig. 2 b dargestellt. Ein Unterschied gegenüber der Schaltung nach Fig. 1 ist in der Wirkungsweise jedoch insofern vorhanden, als während der Zeit to, t1 nicht nur die Röhre 15, sondern ausserdem die Diode 13 stromdurchlässig ist (was bei Fig. 1 nicht der Fall ist).
Der Anodenstrom der Röhre la verläuft gemäss der Erfindung zum Teil von dem Anzapfpunkt der Batterie 12 zur Anode der Diode 13, durchfliesst diese Diode, kehrt zur Anode der Röhre 15 zurück, durchfliesst auch diese Röhre und fliesst über den negativen Pol der
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Ferner entsteht nun erst die Möglichkeit, eine Röhre mit Sehirmgitter, d. h. eine gewöhnliche Schirm- gitterröhre oder eine Penthode an Stelle der Triode zu verwenden, während man bei der Schaltung nach Fig. 1 aus den dargelegten Gründen, nämlich wegen des hohen Innenwiderstandes, der dort die Linearität des Sägezahnes ungünstig beeinflussen würde, von der Verwendung einer Schirmgitterröhre absehen musste.
Es sind also jetzt auch nicht mehr entfernt so hohe Spannungen notwendig, um die gesteuerte Röhre während der Zeit t1, t2 zu sperren.
Die gemäss der Erfindung zu treffende Schaltung weist demnach in dem Stromkreis der Diode eine geringere Spannung auf als in dem Stromkreis der gesteuerten Röhre und besitzt ausserdem als gesteuerte Röhre eine Röhre mit Schirmgitter. Beide Merkmale sind zur Vermeidung der hohen Sperr- spannungen am Steuergitter der gesteuerten Röhre notwendig. Es bedurfte auch erst der Erkenntnis, dass eine Schaltung, bei der im Diodenkreis die Spannung kleiner ist als im Kreis der gesteuerten Röhre (also eine Schaltung nach Fig. 3), eine grundsätzlich andere Wirkungsweise besitzt wie die bekannte
Schaltung (Fig. 1) um eine Röhre mit Schirmgitter überhaupt verwenden zu können.
Nun ist in der Fig. 3 der britischen Patentschrift 400976 ebenfalls bereits im Diodenkreis eine kleinere Spannung enthalten als im Kreis der Triode. Eine Röhre mit Schirmgitter kommt aber dort auch nicht vor. Diese Stelle der britischen Patentschrift erklärt sich nach der Beschreibung aus dem
Bestreben des Erfinders, die Innenwiderstände der Diode und Triode herabzusetzen. Man sieht also, dass es bisher stets für notwendig gehalten wurde, mit einem möglichst kleinen Innenwiderstand der gesteuerten Röhre zu arbeiten, was die Verwendung einer Schirmgitterröhre verbietet, so dass hohe
Sperrspannungen am Gitter nötig sind.
Erst durch die Erkenntnis, dass bei Verwendung einer kleineren
Spannung im Diodenkreis als im Triodenkreis die Wirkungsweise eine ganz andere wird, ist es möglich geworden, die bisher bestehende Auffassung, dass der Innenwiderstand der gesteuerten Röhre klein sein müsse, als ein Vorurteil zu erkennen und sodann durch Verwendung einer Schirmgitterröhre die hohen Sperrspannungen am Steuergitter tatsächlich zu vermeiden.
An Stelle der in Fig. 3 dargestellten Schaltung kann man gemäss der Erfindung auch zwischen die Anode der Diode 13 und dem unteren Ende der Ablenkspule 10 ein RC-Glied, d. h. eine Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators, legen, wie es in Fig. 3 a dargestellt ist. Die Zeitkonstante dieses RC-Gliedes 16 ist wesentlich grösser zu wählen als die Periodendauer der Impulse, welche am Steuergitter der Röhre 16 wirken. Die Spannung, welche sich an dem RC-Glied ausbildet, ist wegen der grossen Zeitkonstante fast eine reine Gleichspannung und spielt dieselbe Rolle wie der Teil a der Gleichspannungsquelle 12 in Fig. 3. In der Wirkungsweise unterscheidet sich dann also die Schaltung nach Fig. 3 a nicht wesentlich von derjenigen nach Fig. 3, insbesondere gelten für sie auch alle Vorteile gegenüber Fig. 1, die oben auseinander gesetzt wurden.
Die freie Halbschwingung der Spule, welche in der Zeit < j, stattfindet, kann dazu führen, dass auch nach dem Zeitpunkt noch Eigenschwingungsvorgänge in der Spule auftreten. Dies ist insbesondere in der Weise möglich, dass etwa die eine Spulenhälfte, welche mit der andern nicht sehr fest gekoppelt ist, für sich Schwingungen ausführt, die eine etwas andere Frequenz haben können als die Eigenschwingungen der zweiten Spulenhälfte. Dies würde zu einer Störung des linearen Stromanstieges während der Zeit t2, tus führen, was sich auch experimentell bestätigt hat. Man kann diesem 'Übelstand dadurch abhelfen, dass man die Spannung an einem Teil der Spule wenigstens während der schwach geneigten Sägezahnflanke noch durch besondere Hilfsmittel erzwingt.
In der Fig. 4 ist eine derartige Schaltung dargestellt, bei welcher die Spannung an der oberen Spulenhälfte mittels einer Diodenschaltung von derselben Art, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, festgehalten wird, nämlich mittels der Diode 3'und der in Reihe zu ihr liegenden negativen Vorspannungsquelle a'. Die Diode 13 und die Gleichspannungsquelle a liegt ebenso wie bei Fig. 3 an der gesamten Ablenkspule. Bei der in Fig. 5 dargestellten Schaltung wird mittels einer Diode 13" und einer negativen Vorspannung d'die Spannung an der unteren Spulenhälfte festgehalten. Die Diode 13 und die Vorspannung a sind wieder in derselben Weise angeordnet wie bei Fig. 3 und 4 und erfüllen dieselben Funktionen.
In Fig. 6 ist eine Schaltung dargestellt, bei welcher die Spennung längs jeder Spulenhälfte festgehalten wird, u. zw. mittels der Diode 13'und der Vorspannung a'an der oberen Spulenhälfte und mittels der Diode 75"und der Vorspannung a"an der unteren Spulenhälfte. Die Diode 13 und die Vorspannung a im Sinne der Fig. 3, 4 und 5 sind dann entbehrlich.
Die Zeitkonstante der Ablenkspule besteht aus dem Quotienten der Spuleninduktivität L und der Summe des Spulenwiderstandes R und des Diodenwiderstandes RD. Wenn man zum Zwecke der Verbesserung der Linearität des Sägezahns die Spuleninduktivität vergrössern will, ergibt sieh, wenn man nicht zu unhandlichen Spulenkonstmktionen kommen will, gleichzeitig eine Vergrösserung des Spulenwiderstandes R, so dass sich auf diesem Wege nicht viel gewinnen lässt. Dagegen ist eine Verkleinerung des Nenners (R + RD) dadurch möglich, dass man die Diode 13 mit einem negativen
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Widerstand ausführt. Dies ist in der Weise möglich, dass man in der Diode eine Gasfüllung verwendet oder auch in der Weise, dass man eine Hoehvakuumröhre mit Stromrückkopplung benutzt.
Eine weitere Verbesserung der Linearität des Stromanstiegs in der Spule lässt sich dadurch erreichen, dass man die Spannung am Steuergitter der Röhre 15 während der Zeit to, t1 sägezahnförmig ansteigen lässt. Wenn nämlich der gesamte Anodenstrom der Röhre 15 schneller ansteigt als der Spulenstrom, so kann der Spannungsabfall, welchen der Diodenstrom an dem inneren Widerstand der Diode erzeugt, den die Nichtlinearität des Spulenstromes hervorrufenden Spannungsabfall des Spulenstromes an dem Spulenwiderstand kompensieren.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines sägezahnförmigen Stromverlaufes, insbesondere zur magnetischen Ablenkung von Kathodenstrahlen für Fernsehzwecke, bei welcher die Ablenkspule mit einer Gleichspannungsquelle und einer steuerbaren Röhre in einem Stromkreis liegt und gleichzeitig mit einer Gleichspannungsquelle und einer Diode in einem andern Stromkreis liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung im Diodenzweig kleiner ist als die im Zweige der steuerbaren Röhre, und dass die steuerbare Röhre (15) eine Sehirmgitterröhre oder Pentode ist.