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Schaltungsanordnung zur Erzeugung von exakten Rechteckimpulsen
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5. Die maximale Flankensteilheit ist durch die Steilheit der Nadelimpulse und die Dimensionierung der Schaltung gegeben. Die erfindungsgemässe Schaltung 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 Flankenlinearität des Rechteckimpulses ein. Der abfallende Teil nach Überschreiten des Scheitelpunkte kann beliebig auslaufen, z. B. kann auch mit einer gedämpften Schwingung gearbeitet werden, da von ihr nur die erste Viertelperiode den zu erzeugenden Rechteckimpuls beeinflusst. Ein neuer Steuerimpulse darf immer erst dann folgen, wenn der vorhergehende abgeklungen ist.
7. In der erfindungsgemässen Schaltung ist die Verwendung von Hochvakuumröhren am vorteilhaftesten ; sie schliesst jedoch die Verwendung von Thyratrons an einzelnen Stellen nicht aus, wenn der durch die statistisch schwankenden Zündverzugszeiten entstehende Jitter und die Begrenzung der Impulsfolgefrequenz durch die Entionisierungszeit in Kauf genommen werden.
An Hand eines Beispiels, in dem die erfindungsgemässe Schaltung in einem Inpulsgenerator Anwendung findet, soll nun die Funktion dieser Schaltung näher beschrieben werden :
Es zeigen Fig. 1 eine Gesamtansicht der Schaltung eines Impulsgenerators, in dem dieerfindungsgemässe Schaltungsanordnung verwendet wird.
Fig. 2 die Neutralisationsschaltung der Laderöhre 12 mit den wirksamen Kapazitäten, Fig. 3 a... h den Impulsverlauf an den entsprechenden Punkten der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1, Fig. 3 a Steuerrechteckimpuls des Multivibrators 1, Fig. 3 b Impuls am Steuergitter der Flankenversteilerungsröhre 6, Fig. 3 c Impuls am Steuergitter der Flankenversteilerungsröhre 7, Fig. 3 d Impuls am Steuergitter der Laderöhre 12, Fig. 3 e Impuls am Steuergitter der Entladeröhre 13, Fig. 3 f Impuls am Steuergitter der Endröhre 15 mit Neutralisation durch die Neutralisationskondensatoren 10 und 11, Fig. 3 g Impuls am Steuergitter der Endröhre 15 ohne Neutralisation durch die Neutralisations-
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Gemäss Fig. 1 liegt an Masse das Potential null. Die zugeführten positiven Spannungen sind nach ihren steigenden Werten geordnet mit +Ul bis +U4 bezeichnet. Entsprechend gelten für die negativen Vorspannungen die Bezeichnungen-K ? bis-F. ?. Das Impulsschema entsprechend Fig. 3 ist nur qualitativ
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Schaltung und ist bezüglich der Spannungen und Zeiten nicht massstabgerecht.
Gemäss Fig. l werden Steuerrechteckimpulse (Fig. 3 a) z. B. von einem Multivibrator 1 erzeugt. Die differenzierte Vorderflanke des jeweiligen Steuerrechteckimpulses löst einen Sperrschwinger 2 aus, der einen Nadelimpuls mit grösserer Amplitude und mit grösserer Flankensteilheit erzeugt. Das gleiche geschieht mit der Rückflanke des Steuerrechteckimpulses über einen zweiten Sperrschwinger 3. Es stehen nunmehr an den Ausgängen der Sperrschwinger 2 und 3 je ein positiver flankenversteilerter Nadelimpuls zur Verfügung. Diese Nadelimpulse sind um die Impulsdauer des Steuerrechteckimpulses zeitlich gegeneinander versetzt. Sie werden jeweils über einen Kathodenverstärker 4 und 5 zwei Flankenversteilerungsröhren 6 und 7 zugeführt. (Fig. 3 b und 3 c).
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 bekannten 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 Ausgangskapazitäten der Flankenversteilerungsröhren ss 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 Röhrenausgangskapazität (Kapazität von Anode nach Bremsgitter 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 Impulspausen auf das Potential ! 74 aufgeladen und werden durch die Anodenströme bis fast auf das Potential null entladen.
Diese Potentialdifferenz tritt als steiler negativer Nadelimpuls an der Primärseite des Impulstransformators 8 bzw. 9 auf. Die erreichte Flankensteilheit ist in erster Näherung proportional dem Anodenstrom der Flan- kenversteilerungsröhre und umgekehrt proportional der Grösse der entladenen Kapazität. Es lassen sich mit diesem Prinzip leicht Flankensteilheiten 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 Röhrenausgangkapazitäten aufweisen. Ferner ist wichtig, dass die Impuls-
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haben zunächt die Aufgabe, eine Umkehr der Polarität der steilen Nadelimpulse zu bewirken. Aus dem negativen Impuls der Primärseite wird auf der Sekundärseite ein positiver Impuls zum Steuern der nächsten Röhre.
Das Übersetzungsverhältnis ist etwa l :-l. Das genaue Übersetzungsverhältnis richtet sich nach der Grösse der Kapazitäten auf der Primär- und Sekundärseite und ist mitbestimmend 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 gezeichneten wirksamen Schalt-und Röhrenkapazitäten hinzugefügt sind. 21 ist die schon definierte Ausgangskapazität der Röhre 6. 22 ist die an der Sekundärseite
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des Impulstransformators 8 gegen Masse wirkende 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 Sekundärwicklung verkoppelt ist.
24 ist die zwischen Steuergitter und Kathode der Laderöhre 12 wirksame Kapazität, die mit der einstellbaren Kapazität 10 neutralisiert werden soll, und 25 ist die aufzuladende Kapazität, die sich zusammensetzt aus der Kapazität zwischen 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 wesentlichen 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 Steuergitter der Laderöhre 12 das Potential-V2 und ihre Kathode ein weniger negatives Potential (etwa-F), so dass die Laderöhre 12
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Ausschwingen ergibt. Wenn nun z. B. der Betrag von Up genau gleich dem Betrag von U, ist und die Kapazitäten 24 und 10 ebenfalls gleich sind, wird die Kapazität 25 nur noch von dem Kathodenstrom der Lade-
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dieser Neutralisationsschaltung ist, dass der Impulstransformator 8 äusserst streuungsarm ist ; empfohlen wird ein einlagig auf dem ganzen Umfang bewickelter Ringkern aus einem hochpermeablen Hochfrequenzeisen, 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 grösseren Gitterstrom ziehen, der die Neutralisation stört, denn ein Gitterstrom bedeutet hier, dass sich der Kapazität 24 ein Wirkwiderstand parallelschaltet und das Brückengleichgewicht gestört wird. Die Gefahr von Gitterstrom wird dadurch verringert, dass als Laderöhre 12 eine steile und stromergiebige Röhre verwendet
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- V2 dernung -V2 hat zur Folge, dass die Kapazität 25 auf eine kleinere Spannung aufgeladen wird. Die Laderöhre 12 kann mit einem Kathodenverstärker verglichen werden. Die Steuerspannung ist-V2+ ! 7 . Je grösser die negative Vorspannung - V2, umso kleiner wird die Steuerspannung und damit die Spannung an der Kathode, d. h. an der Kapazität 25.
Durch eine Regelung von - V2 ist eine Impulshöhenregelung möglich. Die Flankenversteilerungsröhre 7 steuert mit einem steilen Nadelimpuls (Fig. 3 e) über den Impulstransformator 9 die Entladeröhre 13, die während der Impulspausen durch die negative Gittervorspannung-F. gesperrt ist. Der Anodenstrom der Röhre 13 entlädt die von der Laderöhre 12 aufgeladene Kapazität 25, so dass an dieser Kapazität ein positiver Rechteckimpuls entsteht (Fig. 3 f).
Bei zu grosser Gitter-Anodenkapazität der Röhre 13 kann auch in dieser Stufe (ähnlich wie bei der Laderöhre 12) eine Störung auftreten. Der positive Nadelimpuls an Steuergitter der Entladeröhre 13 wird über die Gitter-Anodenkapazität auf die Kapazität 25 übertragen und verursacht unmittelbar vor deren Entladung ein positives Überschwingen (Fig. 3 g). Diese Störung lässt sich durch die Neutralisationskapazität 11 beseitigen, die entsprechend der kleinen Gitteranodenkapazität auf einen kleinen Wert einzustellen ist. Für diese Neutralisationsschaltung und für den Impulstransformator 9 gilt das gleiche wie für die Neutralisationsschaltung vor der Laderöhre 12 und den Impulstransformator 8, ausser dass eine Übersteuerung der Entladeröhre 13 (also ein Gitterstrom) keine Störung dieser Neutralisation verursacht.
Es ist sogar zweckmässig, die Entladeröhre 13 mit den Nadelimpulsen (Fig. 3 e) bis ins Gitterstromgebiet auszusteuern und mit ihr eine zusätzliche Flankenversteilerung durchzuführen. Mit dem von der Laderöhre 12 und der Entladeröhre 13 erzeugten Rechteckimpuls (Fig. 3 f) wird die Endröhre 15 gesteuert. Die Verbindung
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also induktions- und kapazitätsarm. Die Röhrenkapazitäten bilden mit den Zuleitungsinduktivitäten einen Schwingkreis, der durch die steilen Impulsflanken angestossen wird. Dadurch verursachte Störungen lassen sich durch das zusätzliche Einfügen kleiner Dämpfungswiderstände beseitigen (z. B. Dämpfungswiderstand 14). Die Endröhre 15 darf keinen Gitterstrom ziehen, denn das würde ein vorzeitiges teilweises Entladen der Kapazität 25 und damit einen Abfall des Impulsdaches bedeuten.
Ihr Steuergitterpotential bewegt sich zwischen etwa-jf und null bzw. dem Gitterstromeinsatzpunkt. Bei Gitterpotential null zieht sie ihren grössten Anodenstrom und überträgt entsprechend der bekannten C-Einstellung, den oberen Teil des Rechteckimpulses mit dem geraden Impulsdach. 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. 3 h), um so die Beeinflussung des Wellenwiderstandes von aussen klein zu halten. Ausserdem ist es zweckmässig, den Ausgangsspannungsteiler (19+20) gegen solche mit andern Teilerverhältnissen austauschbar zu machen.
Damit
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die Endröhre 15 keine Welligkeiten im Rechteckimpuls verursacht, ist es wichtig, ihre Schirmgitter- und
Anodenverblockung 16 und 17 äusserst induktivitätsarm durchzuführen, was durch Parallelschalten meh- rerer Kondensatoren mit kürzester möglichst grossflächiger Leitungsführung (z. B. mit Band) erreicht wird. Unter Verzicht auf die beschriebene Impulshöhenregelung durch Verändern der negativen Vorspan- nung -V2 kann ein restliches Überschwingen und Welligkeit im Impulsdach des Steuerrechteckimpulses für die Endröhre 15 im Ausgangsimpuls noch weiter verringert werden, dadurch, dass die Endröhre 15 eine Impulsbegrenzung übernimmt. Die Endröhre 15 wird z.
B. mit jedem Rechteckimpuls bis zum Gitter- stromeinsatzpunkt ausgesteuert, die Spannungen +U1 und +U2 sind so eingestellt, dass die Spannung an der Anode der Endröhre 15 bei Vollaussteuerung bis zur Knickspannung absinkt. Bei weiterem Anstei- gen der Steuerspannung (z. B. Überschwingen) steigt nur noch der Schirmgitterstrom ; der Anodenstrom bleibt konstant.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung von exakten Rechteckimpulsen aus je zwei zeitlich verschobenen, die Ausgangsimpulsbreite bestimmenden Nadelimpulsen, ausgehend von dem bekannten Prinzip, das durch eine Laderöhre zu Beginn des jeweiligen Rechteckimpulses ein Kondensator aufgeladen und am
Ende des Rechteckimpulses durch eine Entladeröhre entladen wird, gekennzeichnet durch die Kombi- nation der folgenden Merkmale :
a) dass die negative Gittervorspannung (-V2) der Laderöhre (12) so gross gewählt ist, dass während der positiven Nadelimpulse ihr Steuergitter niemals positiver werden kann als ihre Kathode, b) dass die zwischen Steuergitter und Kathode der Laderöhre (12) liegende innere Röhren- und äussere
Schaltungskapazität (24) nach einer an sich bekannten Neutralisationsschaltung neutralisiert wird, c) dass die Kapazität (25), die aufgeladen und entladen werden muss, nur aus äusseren unvermeidbaren Verdrahtungskapazitäten und inneren Röhrenkapazitäten einer Laderöhre (12), einer Entladeröhre (13) und einer Endröhre (15) besteht und d) dass die in bekannter C-Einstellung betriebene Endröhre (15)
entweder durch eine geeignete Festlegung ihres Kathodenpotentials oder durch eine hinreichende Grösse der negativen Gittervorspannung für die Laderöhre (12) niemals durch Positiverwerden ihres Steuergitters gegenüber ihrer Kathode Gitterstrom zieht.