DE102007014268A1 - Switching arrangement with at least two output stages electrically connected in series switching stages - Google Patents

Switching arrangement with at least two output stages electrically connected in series switching stages Download PDF

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Abstract

g (10) mit zumindest zwei ausgangsseitig elektrisch in Reihe geschalteten Schaltstufen (60, 70, 80, 500, 510), wobei die Schaltanordnung in ihrem eingeschalteten Zustand niederohmig und in ihrem ausgeschalteten Zustand hochohmig ist. Erfindungsgemäß ist u. a. vorgesehen, dass die Schaltstufen eingangsseitig jeweils mit einem Ausgang (A30) eines individuellen Leitungstrafos (30, 40, 50) verbunden und über diesen von außen ansteuerbar sind.g (10) with at least two output side electrically connected in series switching stages (60, 70, 80, 500, 510), wherein the switching device in its on state is low impedance and high impedance in its off state. According to the invention u. a. provided that the switching stages on the input side each connected to an output (A30) of an individual line transformer (30, 40, 50) and can be controlled via this from the outside.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanordnung mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a switching arrangement with the features according to the preamble of claim 1.

In vielen Systemen der Elektronik und Optik werden an Laststrecken, wie z. B. im Entladungskanal eines Lasers, hohe Spannungen an niederohmigen Lasten benötigt, die durch Schalter mit hoher Schaltgeschwindigkeit sehr schnell eingeschaltet werden, eine kurze Zeit zur Verfügung stehen und schnell wiederholt eingeschaltet werden können, wozu oft die Entladung eines Ladeelementes, wie z. B. eines Kondensators, durch einen geeigneten Schalter dient.In many systems of electronics and optics are used on load paths, such as B. in the discharge channel of a laser, high voltages at low impedance Loads required by switches with high switching speed be turned on very quickly, a short time available stand and can be switched on repeatedly quickly, for what often the discharge of a charging element, such. B. a capacitor, by a suitable switch.

Die bekannten Schalter arbeiten mit den verschiedensten aktiven Bauelementen. Bei mit Wasserstoff bzw. Deuterium gefüllten Thyratronen werden kurze Schaltzeiten bei hohen Spannungen und Strömen erreicht. Problematisch sind der große Jitter, die großen mechanischen Abmessungen, eine notwendige ständige Heizung und die endliche Lebensdauer.The Known switches work with a variety of active components. For hydrogen or deuterium filled thyratrones be short switching times at high voltages and currents reached. Problematic are the big jitter, the big ones mechanical dimensions, a necessary constant heating and the finite life.

Einstufige Hableiterschalter wie beispielsweise „Drift Step Recovery Diodes", wie sie in der Druckschrift "Power Nanosecond Semiconductor Opening Plasma Switches", 1996 IEEE, Seite 51 ff. , beschrieben werden, erreichen nicht allzu hohe Spannungen und benötigen vor allem eine induktive Energiespeicherung, womit viele Anwendungen unmöglich sind.Single-stage semiconductor switches such as "Drift Step Recovery Diodes", as described in the publication "Power Nanosecond Semiconductor Opening Plasma Switches", 1996 IEEE, page 51 ff. , do not reach too high voltages and above all require inductive energy storage, which makes many applications impossible.

Bei den meisten Halbleiterbauelementen werden genügend hohe Spannungen im Bereich einiger kV nur schaltbar durch eine Reihenschaltung vieler Schaltelemente ( US-Patent 4,425,518 ); diese müssen möglichst gleichzeitig angesteuert werden.In the case of most semiconductor devices, sufficiently high voltages in the range of a few kV can only be switched by a series connection of many switching elements ( U.S. Patent 4,425,518 ); These must be controlled as simultaneously as possible.

Eine Schaltanordnung der eingangs angegebenen Art ist aus der Patentschrift DD 234 974 bekannt. Diese Schaltanordnung ist mit zumindest zwei ausgangsseitig elektrisch in Reihe geschalteten Schaltstufen ausgestattet, wobei die Schaltanordnung in ihrem eingeschalteten Zustand niederohmig und in ihrem ausgeschalteten Zustand hochohmig ist.A circuit arrangement of the type specified is known from the patent DD 234 974 known. This switching arrangement is equipped with at least two output stages electrically connected in series switching stages, wherein the switching arrangement in its on state is low impedance and high impedance in its off state.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltanordnung anzugeben, mit der sich große Spannungen mit hoher Geschwindigkeit schalten lassen.Of the Invention has for its object to provide a switching arrangement with big voltages at high speed let switch.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltanordnung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.These The object is achieved by a switching arrangement solved with the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are in subclaims specified.

Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schaltstufen eingangsseitig jeweils mit einem Ausgang eines individuellen Leitungstrafos – unmittelbar oder mittelbar – verbunden und über diesen von außen ansteuerbar sind.After that is inventively provided that the switching stages on the input side each with an output of an individual line transformer - directly or indirectly - connected and via this of are externally controllable.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der sehr schnellen Schaltzeit der Schaltanordnung. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Leitungstrafos weisen aufgrund ihres Aufbaus nämlich eine sehr hohe Grenzfrequenz auf, so dass die Schaltgeschwindigkeit der Schaltanordnung quasi nicht durch Trafoeinflüsse begrenzt wird. Die hohe Grenzfrequenz wird bei Leitungstrafos im Unterschied zu Standardtransformatoren durch eine andere Art der elektromagnetischen Kopplung erreicht: Während bei Standardtransformatoren eine magnetische Kopplung durch hochfrequenzmäßig eher wenig geeignetes Ferritmaterial erfolgt, beruht die elektromagnetische Kopplung bei einem Leitungstrafo auf einer Wellenkopplung im Koppelbereich von Leitungen.One An essential advantage of the invention lies in the very fast switching time the switching arrangement. The inventively provided Because of their structure, line transformers have one very high cutoff frequency, so the switching speed of the Switching arrangement virtually not limited by transformer influences becomes. The high cutoff frequency is in line transformers in difference to standard transformers by another type of electromagnetic Coupling achieved: While with standard transformers a magnetic coupling by high frequency rather little suitable ferrite material, the electromagnetic is based Coupling with a line transformer on a shaft coupling in the coupling area of wires.

Für Leitungstrafos geeignete Leitungen sind beispielsweise TEM-Leitungen, so dass es als vorteilhaft angesehen wird, wenn die Leitungstrafos jeweils zwei TEM-Leitungen aufweisen.For Line transformers suitable lines are, for example, TEM lines, so that it is considered advantageous if the line transformers each have two TEM lines.

Unter dem Begriff TEM-Leitungen sind Leitungen zu verstehen, die transversal elektromagnetische Wellen führen können, also beispielsweise Koaxialleitungen oder Mikrostripleitungen.Under The term TEM lines are to be understood as transversal lines can cause electromagnetic waves, so For example, coaxial or microstrip lines.

Am Eingang eines jeden Leitungstrafos oder zumindest im Bereich des Eingangs ist bevorzugt ein Teilleiter einer der TEM-Leitungen mit einem Teilleiter der anderen TEM-Leitung verbunden, und die jeweils beiden anderen Teilleiter bilden Eingangsteilleiter des Leitungstrafos. Die beiden Eingangsteilleiter sind vorzugsweise am Ausgang des Leitungstrafos bzw. im Bereich des Ausgangs verbunden, so dass die am Eingang verbundenen Teilleiter am Ausgang des Leitungstrafos Ausgangsteilleiter bilden. Die beiden TEM-Leitungen weisen vorzugsweise identische Wellenwiderstände auf.At the Entrance of each line transformer or at least in the area of Input is preferably a sub-conductor of one of the TEM lines with connected to a sub-conductor of the other TEM line, and each two other sub-conductors form the input part of the line transformer. The two input part conductors are preferably at the output of the line transformer or connected in the area of the output, so that the input connected Partial conductor at the output of the line transformer forming the output partial conductor. The two TEM lines preferably have identical characteristic impedances on.

Wie bereits erwähnt, sind reine Leitungsanordnungen bei Leitungstrafos für die potentialfreie Kopplung sehr hochfrequenter Signale geeignet; nachteilig ist jedoch, dass niederfrequente Signale ohne weiteres nicht bzw. nicht sehr gut übertragen werden. Um auch bei kleinen Übertragungsfrequenzen ein gutes Übertragungsverhalten zu erreichen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn zumindest eine der beiden TEM-Leitungen durch einen Ferritkern hindurchgeführt ist, wodurch eine gute Weiterleitung auch der niederfrequenten Anteile der Schalt- bzw. Steuerpulse an den Steuereingang der nachgeschalteten Schaltstufe ermöglicht wird.As already mentioned, are pure line arrangements in line transformers for the potential-free coupling of very high-frequency signals suitable; However, it is disadvantageous that low-frequency signals without further not or not very well transferred. Around even with small transmission frequencies a good transmission behavior it is considered advantageous if at least one the two TEM lines passed through a ferrite core is, whereby a good transmission also of the low-frequency portions the switching or control pulses to the control input of the downstream Switching is possible.

Um Reflexionen am Steuereingang der Schaltanordnung zu vermeiden, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Leitungstrafos über eine Verteilereinrichtung mit dem Steuereingang der Schaltanordnung in Verbindung stehen, wobei die Leitungstrafos an die Verteilereinrichtung und die Verteilereinrichtung an den Steuereingang wellenwiderstandsmäßig angepasst sind.To reflect at the control input of the To avoid switching arrangement, it is considered advantageous if the line transformers are connected via a distribution device with the control input of the switching arrangement in connection, the line transformers are adapted to the distribution device and the distribution device to the control input shaft resistance.

Um eine gleichmäßige bzw. reproduzierbare Spannungsverteilung auf die einzelnen Schaltstufen der Schaltanordnung nach einem Ausschalten der Schaltanordnung zu erreichen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Schaltanordnung ausgangsseitig eine Widerstandsreihenschaltung aufweist, die im ausgeschalteten Zustand der Schaltanordnung eine ausgangsseitig anliegende Speisespannung auf die einzelnen Schaltstufen vorzugsweise gleichmäßig verteilt.Around a uniform or reproducible stress distribution to the individual switching stages of the switching device after switching off the switching arrangement, it is considered advantageous if the switching arrangement on the output side a resistor series circuit has, in the off state of the switching arrangement a Output voltage applied to the individual switching stages preferably evenly distributed.

Bevorzugt ist zumindest eine Schaltstufe, besonders bevorzugt jede Schaltstufe, derart ausgestaltet, dass ein Teil der an der Schaltstufe abfallenden Spannung auf einen Steueranschluss der potentialmäßig höher liegenden, anschließenden Schaltstufe als Vorspannung rückgekoppelt wird. Vorzugsweise wird die Vorspannung derart rückgekoppelt, dass sie die zum Einschalten der Schaltstufe erforderliche Schaltspannung erhöht. Durch eine solche Maßnahme wird die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass am Steueranschluss einer Schaltstufe eingekoppelte Störungen zu einem unerwünschten und unkoordinierten Einschalten der Schaltstufe führen können; ein unkoordiniertes Einschalten einer oder mehrerer Schaltstufen der Schaltanordnung kann nämlich zu einer Zerstörung der gesamten Schaltanordnung führen, weil im Falle eines Einschaltens einzelner, nicht jedoch aller Schaltstufen die noch ausgeschalteten Schaltstufen den gesamten am Eingang der Schaltanordnung anliegenden Spannungshub der Speisespannung allein verkraften müssen, was unter Umständen zu einer Überlastung und einer Zerstörung der ausgeschalteten Schaltstufen führen kann.Prefers is at least one switching stage, particularly preferably each switching stage, designed such that a part of the sloping at the switching stage Voltage on a control terminal of the potential higher, subsequent switching stage than Bias is fed back. Preferably, the bias voltage fed back so that they turn on the Switching level required switching voltage increased. By such a measure will reduce the likelihood that Interference coupled to the control terminal of a switching stage to an unwanted and uncoordinated switching on can lead the switching stage; an uncoordinated one Switching on one or more switching stages of the switching arrangement can namely destroy the whole Lead switching arrangement, because in the case of switching individual, but not all switching stages still switched off Switching the entire voltage applied to the input of the switching device Voltage swing of the supply voltage alone have to cope with what may lead to overwork and destruction the switched off switching stages can lead.

Bevorzugt sind jeder Schaltstufe zumindest zwei Widerstände zugeordnet, nämlich ein Hauptwiderstand und ein Hilfswiderstand, wobei der Hauptwiderstandswert größer als der Hilfswiderstandswert ist. Der Hauptwiderstand dient beispielsweise dazu, im ausgeschalteten Zustand der Schaltanordnung den Hauptspannungsabfall der jeweiligen Schaltstufe aufzunehmen; der Hilfswiderstand kann dann davon unabhängig zu Ansteuerungszwecken herangezogen werden.Prefers each switching stage are assigned at least two resistors, namely, a main resistance and an auxiliary resistance, wherein the main resistance value is greater than the auxiliary resistance value. The main resistance is used, for example, in the off State of the switching device, the main voltage drop of the respective Record switching stage; the auxiliary resistance can then be independent of it used for control purposes.

Zu dem Schaltelement T wird beispielsweise eine Stützkapazität parallel geschaltet, um bei einem Ein- oder Ausschalten der Schaltanordnung eine gleichmäßige dynamische Spannungsverteilung auf die einzelnen Schaltstufen zu gewährleisten.To the switching element T, for example, a support capacity connected in parallel to switch on or off the switching arrangement a uniform dynamic stress distribution to ensure the individual switching stages.

Der Hilfswiderstand kann beispielsweise derart mit dem Steuereingang der potentialmäßig höher liegenden, anschließenden Schaltstufe in Verbindung stehen, dass die zum Einschalten der Schaltstufe am Steuereingang erforderliche Steuerspannung zumindest den Spannungsabfall am Hilfswiderstand überschreiten muss.Of the Auxiliary resistance, for example, with the control input the potential higher, subsequent Switching in conjunction that the switch-on the switching stage Control voltage required at the control input at least the voltage drop must exceed the auxiliary resistance.

Vorzugsweise gibt es mindestens eine Schaltstufe einer ersten Art, bei der ein Anschluss des Hilfswiderstands der nachfolgenden, potentialmäßig tiefer liegenden Schaltstufe mit einem Steueranschluss des Steuereingangs der Schaltstufe verbunden ist. Bei dieser Ausgestaltung wird der Spannungsabfall am Hilfswiderstand unmittelbar als Vorspannung verwendet.Preferably There is at least one switching stage of a first type, in which a Connection of the auxiliary resistance of the following, potential lower-lying switching stage with a control terminal of the control input the switching stage is connected. In this embodiment, the Voltage drop on the auxiliary resistor used directly as a bias voltage.

Um zu vermeiden, dass der Hilfswiderstand am Steuereingang der Schaltstufe als ohmsche Last in Reihenschaltung zur Ansteuerspannung wirksam ist, wird eine Hilfskapazität verwendet, welche bei der Verschaltung zweier Stufen parallel zu dem Hilfswiderstand liegt, für hohe Übertragungsfrequenzen einen Kurzschluss darstellt und die ohmsche Last des Hilfswiderstandes – vom Steuereingang gesehen – also kurzschließt. Die Funktion einer solchen Hilfskapazität besteht somit darin, einen Steuerpuls am Steuereingang der Schaltstufe zu dem Schaltelement der Schaltstufe möglichst vollkommen durchzuschalten.Around to avoid that the auxiliary resistance at the control input of the switching stage as an ohmic load in series connection to the drive voltage is effective, an auxiliary capacitance is used which is connected during the interconnection two stages parallel to the auxiliary resistance, for high transmission frequencies represents a short circuit and the resistive load of the auxiliary resistor - from the control input seen - so short circuits. The function of a such auxiliary capacity is thus a control pulse at the control input of the switching stage to the switching element of the switching stage as completely as possible through.

Alternativ oder zusätzlich dazu kann es auch eine oder mehrere Schaltstufen einer zweiten Art geben, bei der ein Anschluss eines zusätzlichen Hilfswiderstandes mit einem Eingang eines Spannungsinverters verbunden ist, der den Spannungsabfall am Hilfswiderstand über einen Sekundärhilfswiderstand invertiert an einen Steueranschluss des Steuereingangs der Schaltstufe legt. Eine Schaltstufe einer solchen zweiten Art wird bevorzugt als potentialmäßig „unterste" Schaltstufe eingesetzt, die mit einem ihrer beiden Schaltanschlüsse auf Massepotential liegt; in diesem Falle wird mit Hilfe des Spannungsinverters das Spannungspotential an dem Steueranschluss auf ein Potential unterhalb des Massepotentials heruntergezogen; die Potentialdifferenz zwischen dem Steueranschluss und dem Massepotential ist in diesem Falle betragsmäßig so groß wie der Spannungsabfall am Hilfswiderstand.alternative or in addition, it may also have one or more switching stages a second type, in which a connection of an additional Auxiliary resistance connected to an input of a voltage inverter is the voltage drop across the auxiliary resistor over a Secondary auxiliary resistor inverts to a control terminal the control input of the switching stage sets. A switching stage of a such a second kind is preferred as potentially "lowest" Switching used with one of its two switching connections at ground potential; In this case, with the help of the voltage inverter, the Voltage potential at the control terminal to a potential below pulled down the ground potential; the potential difference between the control terminal and the ground potential is in this case amount as large as the voltage drop across the auxiliary resistor.

Der Spannungsinverter kann beispielsweise durch einen Operationsverstärker gebildet sein.Of the Voltage inverter, for example, by an operational amplifier be formed.

Um zu vermeiden, dass der Sekundärhilfswiderstand am Steuereingang der Schaltstufe als ohmsche Last wirksam ist, ist vom Sekundärhilfswiderstand vorzugsweise eine Hilfskapazität zum Fußpunkt der Schaltanordnung geschaltet, die für hohe Übertragungsfrequenzen am Steuereingang einen Kurzschluss darstellt und die ohmsche Last des Sekundärhilfswiderstands also hochfrequenzmäßig kurzschließt.In order to avoid that the secondary auxiliary resistance at the control input of the switching stage is effective as a resistive load, an auxiliary capacitance is preferably connected to the base of the switching arrangement of the secondary auxiliary resistance, which represents a short circuit for high transmission frequencies at the control input and the ohmic load of Se secondary auxiliary resistance thus short-circuiting high frequency.

Als selbständige Erfindung wird außerdem eine Schaltanordnung angesehen mit zumindest zwei ausgangsseitig elektrisch in Reihe geschalteten Schaltstufen, wobei die Schaltanordnung in ihrem eingeschalteten Zustand niederohmig und in ihrem ausgeschalteten Zustand hochohmig ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest eine Schaltstufe derart ausgestaltet ist, dass ein Teil der an der Schaltstufe abfallenden Spannung auf einen Steueranschluss eines Steuereingangs der anderen Schaltstufe als Vorspannung rückgekoppelt wird.When independent invention will also be a switching arrangement viewed with at least two output side electrically in series switched switching stages, wherein the switching arrangement in its switched on Low-impedance state and high-impedance in its switched-off state is, and which is characterized in that at least one switching stage is configured such that a part of the sloping at the switching stage Voltage to a control terminal of a control input of the other switching stage is fed back as bias.

Durch eine solche Ausgestaltung der Schaltanordnung lässt sich sehr einfach eine besonders hohe Störsicherheit erreichen, weil die mindestens eine Schaltstufe nur dann durchgeschaltet bzw. eingeschaltet wird, wenn eine Steuerspannung anliegt, die mindestens so groß ist wie die rückgekoppelte Vorspannung plus die übliche Einschaltspannung der Schaltstufe ohne Rückkopplung.By Such an embodiment of the switching arrangement can be very easy to achieve a particularly high interference immunity because the at least one switching stage only switched through or is switched on when a control voltage is present, the at least is as big as the feedback bias plus the usual switch-on voltage of the switching stage without Feedback.

Vorzugsweise weist die Schaltanordnung zumindest eine Schaltstufe einer ersten Art und mindestens eine Schaltstufe einer zweiten Art auf, wobei bei einer Schaltstufe der ersten Art ein Teil der an der Schaltstufe zweiter Art abfallenden Spannung auf einen Steueranschluss der Schaltstufe erster Art als Vorspannung rückgekoppelt wird und wobei bei einer Schaltstufe der zweiten Art ein Teil der an der Schaltstufe abfallenden Spannung auf einen Steueranschluss der Schaltstufe als Vorspannung mittels eines Spannungsinverters invertiert rückgekoppelt wird.Preferably the switching arrangement has at least one switching stage of a first Type and at least one switching stage of a second type, wherein at a switching stage of the first kind a part of the switching stage second type falling voltage on a control terminal of the switching stage first type is fed back as bias and where at a switching stage of the second kind a part of the switching stage falling voltage on a control terminal of the switching stage as Bias voltage is inverted feedback by means of a voltage inverter.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:The Invention will be described below with reference to two embodiments explained in more detail; thereby show exemplarily:

1 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schaltanordnung als Blockschaltbild, wobei die Schaltanordnung beispielhaft drei Stufen aufweist, 1 An exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention as a block diagram, wherein the circuit arrangement has three stages by way of example,

2 ein Ausführungsbeispiel für ein Verteilernetzwerk für die Schaltanordnung gemäß 1, 2 an embodiment of a distribution network for the switching arrangement according to 1 .

3 ein Ausführungsbeispiel für einen Leitungstrafo für die Schaltanordnung gemäß 1, 3 an embodiment of a Leitungsstrafo for the switching arrangement according to 1 .

4 ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltstufe für die Schaltanordnung gemäß 1, 4 an embodiment of a switching stage for the switching arrangement according to 1 .

5 ein Ausführungsbeispiel für eine modifizierte Schaltstufe für die Schaltanordnung gemäß 1, 5 an embodiment of a modified switching stage for the switching arrangement according to 1 .

6 das Ausführungsbeispiel gemäß 1 als elektrisches Schaltbild zusammen mit weiteren elektrischen Komponenten im Einsatzfall und 6 the embodiment according to 1 as electrical circuit diagram together with other electrical components in the application and

7 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schaltanordnung als Blockschaltbild. 7 A second embodiment of a circuit arrangement according to the invention as a block diagram.

In den 1 bis 7 werden für identische oder vergleichbare Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.In the 1 to 7 the same reference numerals are used for identical or comparable elements.

In der 1 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung 10 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Übersicht halber nur drei Schaltstufen (n = 3) vorhanden; selbstverständlich ist die Anzahl n der Schaltstufen prinzipiell beliebig und wird vorzugsweise umso größer gewählt, je größer die einzuschaltende Spannung Ua – nachfolgend Schaltspannung genannt – ist, die an der Schaltanordnung anliegt.In the 1 is a block diagram of an embodiment of a switching arrangement according to the invention 10 shown. In this embodiment, for clarity, only three switching stages (n = 3) are present; Of course, the number n of switching stages is in principle arbitrary and is preferably selected to be greater, the greater the voltage Ua to be switched-in the following called switching voltage-is applied to the switching arrangement.

An einen Steuereingang S10 der Schaltanordnung 10 ist ein Anschluss E20 einer Verteilereinrichtung bzw. eines Verteilernetzwerks 20 angeschlossen. Das Verteilernetzwerk 20 weist drei Ausgänge A20a, A20b und A20c auf, die jeweils mit einem Eingang E30, E40 bzw. E50 eines Leitungstrafos 30, 40 bzw. 50 verbunden sind.To a control input S10 of the switching arrangement 10 is a connection E20 of a distribution device or a distribution network 20 connected. The distribution network 20 has three outputs A20a, A20b and A20c, each with an input E30, E40 or E50 of a line transformer 30 . 40 respectively. 50 are connected.

Ausgänge A30, A40 und A50 der Leitungstrafos sind jeweils an einen Steuereingang S60, S70 bzw. S80 einer nachgeordneten Schaltstufe 60, 70 oder 80 angeschlossen.Outputs A30, A40 and A50 of the line transformers are each connected to a control input S60, S70 or S80 of a downstream switching stage 60 . 70 or 80 connected.

Die Schaltstufen weisen jeweils zwei Schaltanschlüsse auf und sind ausgangseitig elektrisch in Reihe geschaltet. Dies bedeutet, das einer der Schaltanschlüsse einer jeden „innenliegenden" Schaltstufe mit einem Schaltanschluss der jeweils übergeordneten Schaltstufe und der andere der zwei Schaltanschlüsse einer jeden „innenliegenden" Schaltstufe mit einem Schaltanschluss der jeweils untergeordneten Schaltstufe verbunden ist. So ist beispielsweise der obere Schaltanschluss A70a der mittleren Schaltstufe 70 an den Schaltanschluss A60b der obersten Schaltstufe 60 und der untere Schaltanschluss A70b der mittleren Schaltstufe 70 an den oberen Schaltanschluss A80a der untersten Schaltstufe 80 angeschlossen.The switching stages each have two switching connections and are electrically connected in series on the output side. This means that one of the switching terminals of each "inboard" switching stage is connected to a switching terminal of the respectively higher switching stage and the other of the two switching terminals of each "inboard" switching stage is connected to a switching terminal of the respective subordinate switching stage. For example, the upper switching terminal A70a is the middle stage 70 to the switching terminal A60b of the upper switching stage 60 and the lower switching terminal A70b of the middle stage 70 to the upper switching terminal A80a the lowest switching stage 80 connected.

Der Schaltanschluss A60a der obersten Schaltstufe 60 und der Schaltanschluss A80b der untersten Schaltstufe 80 bilden Schaltanschlüsse A10a und A10b der Schaltanordnung 10. Der Schaltanschluss A10b der Schaltanordnung kann beispielsweise im Betrieb auf Massepotential liegen.The switching terminal A60a of the upper switching stage 60 and the switching terminal A80b of the lowest stage 80 form switching terminals A10a and A10b of the switching arrangement 10 , The switching connection A10b of the switching arrangement can, for example, be at ground potential during operation.

Die kaskadiert hintereinander geschalteten Schaltstufen 60, 70 und 80 ermöglichen es, auch eine sehr hohe Spannung Ua zwischen den beiden Schaltanschlüssen A10a und A10b zu schalten; denn jede der Schaltstufen muss nicht die gesamte Spannung Ua schalten, sondern nur einen Teil davon. Im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels mit n = 3 Schaltstufen reicht es somit aus, wenn jede der Schaltstufen – von Sicherheitstoleranzen abgesehen – nur ein 1/n (hier 1/3) der Speisespannung Ua – also Ua/n (hier Ua/3) – schalten kann. Im ausgeschalteten Zustand der Schaltanordnung fällt somit an jeder Schaltstufe eine Spannung von circa Ua/n ab.The cascaded switching stages in series 60 . 70 and 80 allow it, too to switch a very high voltage Ua between the two switching terminals A10a and A10b; because each of the switching stages does not have to switch the entire voltage Ua, but only a part of it. In the case of the illustrated embodiment with n = 3 switching stages, it is thus sufficient if each of the switching stages - apart from safety tolerances - only a 1 / n (here 1/3) of the supply voltage Ua - ie Ua / n (here Ua / 3) - can switch. In the switched-off state of the switching arrangement, a voltage of approximately Ua / n thus drops at each switching stage.

Den Schaltstufen vorgeschaltet sind die Leitungstrafos 30, 40, und 50, die eine galvanische Potentialtrennung zwischen dem Steuereingang S10 der Schaltanordnung 10 und den einzelnen Schaltstufen gewährleisten. Eine vorteilhafte Eigenschaft der Leitungstrafos 30, 40 und 50 besteht darin, dass diese eine Steuerspannung bzw. einen Steuerpuls Us auch im Falle einer sehr schnellen Anstiegs- oder Abfallflanke an die Schaltstufen unverfälscht weiterleiten können, da sie bauartbedingt aufgrund ihrer wellenführenden Eigenschaft eine sehr hohe Grenzfrequenz aufweisen.Upstream of the switching stages are the line transformers 30 . 40 , and 50 , the galvanic potential separation between the control input S10 of the switching arrangement 10 and ensure the individual switching stages. An advantageous feature of the line transformers 30 . 40 and 50 is that these can forward a control voltage or a control pulse Us in the case of a very fast rise or fall edge to the switching stages genuine, because they have a very high cutoff frequency due to their wave-guiding property due to their design.

Die Funktion des Verteilernetzwerks 20 besteht – wie der Name bereits andeutet – darin, die Steuerspannung Us am Steuereingang S10 an die Leitungstrafos 30, 40 und 50 zu verteilen. Um dabei Reflexionen zu vermeiden, ist das Verteilernetzwerk 20 an den Steuereingang S10 wellenwiderstandsmäßig angepasst: Soll am Steuereingang S10 beispielsweise ein Wellenwiderstand Z0 auftreten, so muss dass Verteilernetzwerk 20 an seinen n = 3 Ausgängen A20a, A20b und A20c jeweils einen Wellenwiderstand n·Z0 = 3·Z0 aufweisen. An diesen Wellenwiderstand von n·Z0 = 3·Z0 müssen dann die Leitungstrafos ebenfalls entsprechend angepasst sein; dies wird im Zusammenhang mit der 3 näher erläutert.The function of the distribution network 20 consists - as the name suggests - therein, the control voltage Us at the control input S10 to the line transformers 30 . 40 and 50 to distribute. To avoid reflections, the distribution network is 20 adapted to the control input S10 wave resistance: If, for example, a characteristic impedance Z0 occur at the control input S10, so that the distribution network 20 at its n = 3 outputs A20a, A20b and A20c each have a characteristic impedance n * Z0 = 3 * Z0. The line transformers must then also be adapted accordingly to this characteristic impedance of n * Z0 = 3 * Z0; this is related to the 3 explained in more detail.

In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel für das Verteilernetzwerk 20 dargestellt. Man erkennt drei Hilfswellenleiter 100, 105 und 110, bei denen es sich beispielsweise um Koaxialleitungen oder Streifenleitungen handeln kann. Jeweils ein Anschluss eines jeden Hilfswellenleiters steht mit dem Eingang E20 des Verteilernetzwerks und damit mit dem Steuereingang S10 der Schaltanordnung 10 in Verbindung. Die Hilfswellenleiter sind eingangsseitig also elektrisch parallel geschaltet. Ausgangsseitig bildet jeder der Hilfswellenleiter jeweils einen Anschluss A20a, A20b bzw. A20c des Verteilernetzwerks 20. Im Hinblick auf eine Wellenwiderstandsanpassung weisen die Hilfswellenleiter jeweils einen Wellenwiderstand von n·Z0 = 3·Z0 auf, so das Reflexionen vermieden werden.In the 2 is an embodiment for the distribution network 20 shown. One recognizes three auxiliary waveguides 100 . 105 and 110 , which may be, for example, coaxial or strip lines. In each case one connection of each auxiliary waveguide is connected to the input E20 of the distribution network and thus to the control input S10 of the switching arrangement 10 in connection. The auxiliary waveguides are therefore connected in parallel on the input side. On the output side, each of the auxiliary waveguides forms in each case a connection A20a, A20b or A20c of the distribution network 20 , With regard to impedance matching, the auxiliary waveguides each have a characteristic impedance of n * Z0 = 3 * Z0, so that reflections are avoided.

Die Leitungstrafos 30, 40 und/oder 50 gemäß der 1 können beispielsweise baugleich sein; nachfolgend wird beispielhaft anhand der 3 ein Ausführungsbeispiel für den Leitungstrafo 30 erläutert:
Der Leitungstrafo 30 weist an seinem Eingang E30 zwei Eingangsteilleiter 150 und 155 auf, von denen der Eingangsteilleiter 150 zu einer TEM-Leitung 160 und der andere Eingangsteilleiter 155 zu einer zweiten TEM-Leitung 170 gehört; die beiden TEM-Leitungen 160 und 170 können baugleich oder unterschiedlich sein; die Länge beträgt jeweils L.The line transformers 30 . 40 and or 50 according to the 1 may be identical, for example; Below is exemplified by the 3 an embodiment of the Leitungsstrafo 30 explains:
The line transformer 30 has two input part conductors at its input E30 150 and 155 on, of which the input part conductor 150 to a TEM line 160 and the other input part conductor 155 to a second TEM line 170 belongs; the two TEM lines 160 and 170 can be identical or different; the length is L.

Die beiden TEM-Leitungen 160 und 170 können beispielsweise durch Koaxialleiter oder Streifenleitungen gebildet sein. Um Reflexionen zu vermeiden und eine Anpassung an das Verteilernetzwerk 20 zu erreichen, weisen die beiden TEM-Leitungen 160 und 170 jeweils einen Wellenwiderstand von (n·Z0)/2 = (3·Z0)/2 auf.The two TEM lines 160 and 170 For example, they may be formed by coaxial conductors or strip lines. To avoid reflections and adapt to the distribution network 20 To reach, the two TEM lines point 160 and 170 each have a characteristic impedance of (n * Z0) / 2 = (3 * Z0) / 2.

Die beiden anderen Teilleiter 175 und 180, von denen der Teilleiter 175 zu der TEM-Leitung 160 und der andere Teilleiter 180 zur TEM-Leitung 170 gehört, sind im Bereich 185 des Eingangs E30 durch eine Leitung 190 verbunden und somit von außen am Eingang E30 elektrisch nicht zugänglich.The other two leaders 175 and 180 of which the sub-leader 175 to the TEM line 160 and the other leader 180 to the TEM line 170 heard are in the field 185 of input E30 through a line 190 connected and thus electrically inaccessible from the outside at the entrance E30.

Im Bereich 195 des Ausgangs A30 des Leitungstrafos 30 sind die beiden Eingangsteilleiter 150 und 155 durch eine Leitung 200 verbunden und daher dort von außen nicht zugänglich; die Ausgangsteilleiter des Leitungstrafos 30 werden somit durch die beiden anderen Teilleiter 175 und 180 gebildet.In the area 195 output A30 of the line transformer 30 are the two input part conductors 150 and 155 through a pipe 200 connected and therefore not accessible from the outside; the output partial conductor of the line transformer 30 become thus by the two other sub-conductors 175 and 180 educated.

Der Leitungstrafo 30 weist ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 auf, wobei die Kopplung für hohe Frequenzen auf der Wellenausbreitung und der Wellenkopplung in den beiden TEM-Leitungen 160 und 170 sowie auf der Verschaltung der Teilleitungen 150, 155, 175, 180 beruht. Für niedrige Frequenzen beruht die Kopplung auf einem Ferritring 210, durch den die TEM-Leitung 160 hindurchgeführt ist.The line transformer 30 has a gear ratio of 1: 1, with the coupling for high frequencies on the wave propagation and the wave coupling in the two TEM lines 160 and 170 as well as on the interconnection of the sub-lines 150 . 155 . 175 . 180 based. For low frequencies, the coupling is based on a ferrite ring 210 through which the TEM line 160 passed through.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 3 weisen die beiden Ausgangsteilleiter 175 und 180 einen Überkreuzungsbereich 215 auf, um eine polaritätsidentische Umsetzung der Trafoeingangsspannung Ute in die Trafoausgangsspannung Uta zu erreichen: Es gilt hier also: Ute = Uta. In the embodiment according to the 3 have the two output sub-conductors 175 and 180 a crossover area 215 on, in order to achieve a polarity identical conversion of the transformer input voltage Ute in the transformer output voltage Uta: It applies here so: Ute = Uta.

Falls eine Invertierung der Trafoausgangsspannung Uta gewünscht ist und Ute = –Utagelten soll, so kann der Überkreuzungsbereich 215 weggelassen werden.If an inversion of the transformer output voltage Uta is desired and Ute = -Uta should apply, so the crossover area 215 be omitted.

In der 4 erkennt man ein Ausführungsbeispiel für die beiden Schaltstufen 60 und 70; nachfolgend wird der Aufbau beispielhaft anhand der Schaltstufe 70 erläutert.In the 4 one recognizes an embodiment for the two switching stages 60 and 70 ; to Following is the structure by way of example based on the switching stage 70 explained.

Die Schaltstufe 70 weist zwei in Reihe geschaltete Widerstände auf, nämlich einen Hauptwiderstand Rv und einen Hilfswiderstand Rh. Die beiden Widerstände sind zwischen die zwei Schaltanschlüsse A70a und A70b der Schaltstufe 70 geschaltet.The switching stage 70 has two series-connected resistors, namely a main resistance Rv and an auxiliary resistance Rh. The two resistors are between the two switching terminals A70a and A70b of the switching stage 70 connected.

Die Widerstände Rv und Rh sind unterschiedlich dimensioniert. Es gilt: Rv >> Rh,so dass im ausgeschalteten Zustand der Schaltstufe 70 der Spannungsabfall Ua/n = Ua/3 im Wesentlichen am Widerstand Rv abfällt. Es gilt also: Ua/n = Uv + Uh Uv >> Uh The resistors Rv and Rh are dimensioned differently. The following applies: Rv >> Rh, so that in the off state of the switching stage 70 the voltage drop Ua / n = Ua / 3 drops substantially at the resistor Rv. It therefore applies: Ua / n = Uv + Uh Uv >> Uh

Die Spannung Uv kann beispielsweise im Bereich einiger hundert bis einiger tausend Volt liegen; die Spannung Uh beträgt hingegen vorzugsweise nur einige wenige Volt, im ausgeschalteten Zustand der Schaltanordnung 10 beispielsweise 5 V.The voltage Uv can be in the range of a few hundred to several thousand volts, for example; the voltage Uh, however, is preferably only a few volts, in the off state of the switching arrangement 10 for example 5 V.

Zu dem Schaltelement T parallel liegt eine Stützkapazität Cs, die im Falle eines Ein- bzw. Ausschaltens der Schaltanordnung 10 zusammen mit entsprechenden Stützkapazitäten Cs in den anderen Schaltstufen für eine gleichmäßige dynamische Spannungsverteilung der Spannung Ua auf die einzelnen Schaltstufen sorgt, so dass an jeder der Schaltstufe nach Abschluss des Ein- bzw. Ausschaltvorganges die Spannung Ua/n anliegt.Parallel to the switching element T is a support capacitance Cs, which in the case of switching on and off of the switching arrangement 10 together with corresponding support capacitances Cs in the other switching stages ensures a uniform dynamic voltage distribution of the voltage Ua to the individual switching stages, so that the voltage Ua / n is present at each of the switching stage after completion of the switching on or off operation.

Die Schaltstufe 70 ist außerdem mit einem Schaltelement T ausgestattet, bei dem es sich beispielsweise um einen Hochleistungstransistor – zum Beispiel einen Bipolar-Transistor, einen Feldeffekttransistor – oder einen Thyristor – handeln kann; die nachfolgenden Erläuterungen gehen beispielhaft von einem Silizium-Bipolartransistor aus, sie gelten aber für alle andere Arten von Schaltelementen analog. Die beiden Ausgangsschaltanschlüsse sind in der 4 mit den Bezugszeichen K (für Kollektor) und E (für Emitter) bezeichnet. Der eine Ausgangsgangsschaltanschluss K ist an den Schaltanschluss E70a der Schaltstufe 70 angeschlossen; der andere Ausgangsgangsschaltanschluss E ist mit dem Schaltanschluss A70b der Stufe 70 verbunden.The switching stage 70 is also equipped with a switching element T, which may be, for example, a high-power transistor - for example, a bipolar transistor, a field effect transistor - or a thyristor - act; The following explanations are an example of a silicon bipolar transistor, but they apply analogously to all other types of switching elements. The two output switching connections are in the 4 designated by the reference K (for collector) and E (for emitter). The one output switching gate K is connected to the switching terminal E70a of the switching stage 70 connected; the other output switching terminal E is connected to the switching terminal A70b of the stage 70 connected.

Der Anschluss 305 des Hilfswiderstandes Rh ist mit dem Schaltanschluss A70a verbunden und der andere Anschluss 315 des Hilfswiderstandes Rh führt von der Verbindungsstelle V zwischen Haupt- und Hilfswiderstand zum Steuerausgang A70c der Schaltstufe 70. An den Steueranschluss 310 ist der Eingangsanschluss A70d angeschlossen und die Hilfskapazität Ch liegt zwischen dem Steueranschluss 310 und dem Schaltanschluss A70b.The connection 305 of the auxiliary resistor Rh is connected to the switching terminal A70a and the other terminal 315 of the auxiliary resistor Rh leads from the junction V between the main and auxiliary resistance to the control output A70c of the switching stage 70 , To the control terminal 310 the input terminal A70d is connected and the auxiliary capacitance Ch is between the control terminal 310 and the switching terminal A70b.

Die Schaltstufe 70 sowie die Schaltanordnung 10 gemäß der 1 funktionieren wie folgt:
Soll die Schaltanordnung 10 eingeschaltet werden, so werden durch ein Anlegen einer ausreichend großen Steuerspannung Us jeweils alle Schaltstufen eingeschaltet, so dass die Schaltspannung Ua einen sehr kleinen und der Strom durch die Schaltelemente T einen großen Wert annimmt. Damit geht auch die Spannung über der Widerstandskette gegen Null und sowohl die Kondensatoren Cs als auch Ch werden entladen. Durch das Anlegen einer Steuerspannung Us von beispielsweise Null Volt werden alle Schaltelemente T ausgeschaltet. Die dabei ansteigende Spannung Ua, multipliziert mit 1/n wird durch die gleich großen Widerstände Rv gleichmäßig auf die Stufen verteilt. Der Hilfswiderstand Rh der potentialmäßig tiefer liegenden Schaltstufe 80 ruft den Spannungsabfall Uh und damit eine entsprechende Vorspannung am Steueranschluss 310 des Steuereingangs S70 hervor. Diese Vorspannung hat zur Folge, dass die Hilfskapazität Ch entsprechend aufgeladen wird und dass die für ein Einschalten des Schaltelements T erforderliche Einschaltsteuerspannung erhöht wird. Anstelle der sonst üblichen Basis-Emitter-Spannung von Ube = 0,7 V (für einen Silizium-Transistor) wird durch die Vorspannung für ein Einschalten der Schaltstufe eine Steuerspannung Us nötig von mindestens: Us = Ube + Uh. The switching stage 70 and the switching arrangement 10 according to the 1 work as follows:
If the switching arrangement 10 are switched on, so by switching on a sufficiently large control voltage Us each switching stages are turned on, so that the switching voltage Ua assumes a very small and the current through the switching elements T a large value. Thus, the voltage across the resistor string goes to zero and both the capacitors Cs and Ch are discharged. By applying a control voltage Us of, for example, zero volts all switching elements T are turned off. The thereby increasing voltage Ua multiplied by 1 / n is evenly distributed to the stages by the equal-magnitude resistors Rv. The auxiliary resistance Rh of the potentially lower-lying switching stage 80 calls the voltage drop Uh and thus a corresponding bias voltage at the control terminal 310 of the control input S70. This biasing has the consequence that the auxiliary capacitance Ch is charged accordingly and that the turn-on control voltage required for switching on the switching element T is increased. Instead of the usual base-emitter voltage of Ube = 0.7 V (for a silicon transistor) is required by the bias for switching on the switching stage, a control voltage Us of at least: Us = Ube + Uh.

Durch eine entsprechende Dimensionierung des Hilfswiderstands Rh lässt sich somit ein unerwünschtes Einschalten des Schaltelements T aufgrund von Störungen, die am Steuereingang S70 womöglich eingekoppelt werden könnten, vermeiden. Beispielsweise kann der Hilfswiderstand Rh so bemessen sein, dass an diesem während des Betriebs der Schaltanordnung 10 in deren ausgeschaltetem Zustand zumindest eine Spannung von Uh = 5 V abfällt, so dass zum Einschalten des Schaltelements T eine Steuerspannung Us von mindestens 5,7 V erforderlich ist.By an appropriate dimensioning of the auxiliary resistor Rh thus undesired switching on of the switching element T due to disturbances that could possibly be coupled to the control input S70, avoid. For example, the auxiliary resistance Rh may be dimensioned such that at this during operation of the switching arrangement 10 in the off state, at least a voltage of Uh = 5 V drops, so that for switching on the switching element T, a control voltage Us of at least 5.7 V is required.

Die Funktion des Hilfswiderstands Rh besteht also darin, für den Steuereingang S70 eine Vorspannung Uh zu erzeugen, die ein fehlerhaftes Einschalten der Schaltstufe 70 aufgrund von Störungen verhindert. Um zu vermeiden, dass der Hilfswiderstands Rh für Steuerpulse Us am Steuereingang S70 eine störende ohmsche Last darstellt, ist nach der Zusammenschaltung der Stufen zu dem Hilfswiderstands Rh die Hilfskapazität Ch parallel geschaltet. Diese stellt für die Steuerspannung bei hohen Frequenzen einen Kurzschluss dar, so dass der Hilfswiderstand Rh für hohe Frequenzen und schnelle Schaltflanken inaktiv bzw. „unsichtbar" ist.The function of the auxiliary resistor Rh is therefore to generate a bias voltage Uh for the control input S70, which is a faulty switching on of the switching stage 70 prevented due to interference. In order to avoid that the auxiliary resistance Rh for control pulses Us at the control input S70 represents a disturbing resistive load, the auxiliary capacitance Ch is connected in parallel after the interconnection of the stages to the auxiliary resistance Rh. This represents a short circuit for the control voltage at high frequencies, so that the Hilfswi Rh is inactive or "invisible" for high frequencies and fast switching edges.

Die entsprechende Vorspannung Uh lässt sich in der beschriebenen Weise nur bei den Schaltstufen 60 und 70 gemäß der 1 bilden, bei der in der 1 untersten Schaltstufe 80 ist hingegen eine modifizierte Vorspannungsbildung nötig. Dies liegt konkret daran, dass keine potentialmäßig tiefer liegende Stufe vorhanden ist.The corresponding bias Uh can be in the manner described only in the switching stages 60 and 70 according to the 1 form, in which in the 1 lowest switching level 80 On the other hand, a modified biasing is necessary. This is due to the fact that there is no potential lower level.

Um auch in diesem Falle eine rückgekoppelte Vorspannung zu erhalten, die der Vorspannung Uh der beiden übrigen Schaltstufen 60 und 70 entspricht, ist die Schaltstufe 80 etwas anders aufgebaut. Der Aufbau der Schaltstufe 80 ist in der 5 gezeigt:
Man erkennt in der 5, dass an der Verbindungsstelle V des zusätzlichen Hilfswiderstands Rh' ein Spannungsinverter 350 in Form eines Operationsverstärkers angeschlossen ist, und zwar mit seinem invertierenden Eingang 355. Der nichtinvertierende Eingang 360 ist mit dem anderen Anschluss 325 des Hilfswiderstandes Rh' und mit dem Schaltanschluss A80b verbunden und liegt damit beispielsweise auf Massepotential. Am Ausgang ist ein Sekundärhilfswiderstand Rh'' angeschlossen, dessen Widerstandswert mit dem des Hilfswiderstands Rh' identisch ist. Der andere Anschluss des Sekundärwiderstands ist an den Steueranschluss 310 des Steuereingangs S80 angeschlossen.In order to obtain in this case, a feedback bias, the bias of the other two switching stages Uh 60 and 70 corresponds, is the switching stage 80 built a little differently. The structure of the switching stage 80 is in the 5 shown:
One recognizes in the 5 in that at the connection point V of the additional auxiliary resistor Rh 'is a voltage inverter 350 is connected in the form of an operational amplifier, with its inverting input 355 , The non-inverting input 360 is with the other connection 325 of the auxiliary resistor Rh 'and connected to the switching terminal A80b and is thus for example at ground potential. At the output a secondary auxiliary resistor Rh '' is connected, whose resistance value is identical to that of the auxiliary resistor Rh '. The other terminal of the secondary resistor is at the control terminal 310 connected to the control input S80.

Die Aufgabe des Spannungsinverters 350 besteht darin, den Spannungsabfall Uh am Hilfswiderstand Rh' als „negatives" Potential an den Steueranschluss 310 des Steuereingangs S80 zu übertragen, so dass zum Einschalten der Schaltstufe 80 ebenso wie bei den anderen Schaltstufen eine Steuerspannung Us = Ube + Uh erforderlich ist. Der Spannungsinverter bewirkt also eine Potentialverschiebung auf ein Potential unterhalb des Potentials am Anschluss A80b, also beispielsweise auf ein Potential unterhalb des Massepotentials, wenn der Anschluss A80b auf Masse liegt. Die Kapazität wirkt wie bei der Schaltstufe 70.The task of the voltage inverter 350 consists of the voltage drop Uh at the auxiliary resistance Rh 'as a "negative" potential to the control terminal 310 of the control input S80, so that to turn on the switching stage 80 as with the other switching stages, a control voltage Us = Ube + Uh is required. The voltage inverter thus causes a potential shift to a potential below the potential at the terminal A80b, that is, for example, to a potential below the ground potential when the terminal A80b is grounded. The capacity acts as in the switching stage 70 ,

Die 6 zeigt die Schaltanordnung gemäß 1 nochmals anhand eines beispielhaften elektrischen Schaltbilds im Einsatz. Man erkennt einen Ladewiderstand R, der mit einer regelbaren Hochspannungsquelle Ub sowie der Schaltanordnung 10, einer Ladekapazität Cl und einem Lastwiderstand Rl verbunden ist.The 6 shows the switching arrangement according to 1 again using an exemplary electrical circuit diagram in use. It can be seen a charging resistor R, with a controllable high voltage source Ub and the switching arrangement 10 , a charge capacity Cl and a load resistor Rl.

Die Anordnung lässt sich wie folgt betreiben:
Über die Hochspannungsquelle Ub und den Vorwiderstand R wird die Ladekapazität Cl geladen. Die sich über der Schaltanordnung 10 aufbauende Spannung Ua, welche der Spannung an der Ladekapazität Cl entspricht, wird durch die aus den Widerständen Rh und Rv bestehende Widerstandskette auf die einzelnen Schaltstufen verteilt. Über die Hilfswiderstände Rh werden die Kondensatoren Ch aufgeladen, wodurch sich mit zunehmender Spannung über den Einzelstufen auch die Sperrspannungen in den Eingangskreisen erhöhen, womit eine erhebliche Störsicherheit erreicht wird.The arrangement can be operated as follows:
The charging capacitor C1 is charged via the high-voltage source Ub and the series resistor R. The above the switching arrangement 10 Constant voltage Ua, which corresponds to the voltage across the charge capacitance C1, is distributed to the individual switching stages by the resistor chain consisting of the resistors Rh and Rv. About the auxiliary resistors Rh the capacitors Ch are charged, which increase with increasing voltage across the individual stages and the blocking voltages in the input circuits, whereby a significant interference immunity is achieved.

Durch die Leitungsverzweigung 20 und die Leitungstrafos werden positive Zündimpulse mit sehr kurzer Anstiegszeit für die Schaltstufen bereitgestellt. Die Stützkondensatoren Cs sichern im Einschaltzeitpunkt auch die gleichmäßige dynamische Spannungsverteilung über den Schaltstufen, womit eine Überkopfzündung vermieden wird.Through the branch line 20 and the line transformers provide positive firing pulses with very short rise time for the switching stages. The backup capacitors Cs also ensure the uniform dynamic voltage distribution across the switching stages at the switch-on time, thus avoiding overhead ignition.

Mit dem Einschalten der Gesamtkette entlädt sich die Ladekapazität Cl über der Schaltergruppe und liefert an dem Lastwiderstand Rl den gewünschten Impuls. Nach der Entladung von Cl kann sich der Zyklus wiederholen. Zur Erzielung einer hohen Folgefrequenz sollten die folgenden Beziehungen eingehalten werden: Z0·Ch >> Teinund Rh·Ch < 1/fmaxwobei Tein die notwendige Einschaltdauer der Schaltelemente T und fmax die gewünschte maximale Pulsfrequenz am Steuereingang S10 bezeichnen.When the overall chain is switched on, the charging capacitance C1 discharges above the switch group and supplies the desired pulse to the load resistor R1. After discharge of Cl, the cycle can be repeated. To achieve a high repetition frequency, the following relationships should be maintained: Z0 · Ch >> Tein and Rh · Ch <1 / fmax where Tein the necessary duty cycle of the switching elements T and fmax denote the desired maximum pulse frequency at the control input S10.

In der 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Schaltanordnung 10 gezeigt. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 weist diese sechs Schaltstufen (n = 6) auf, nämlich fünf Schaltstufen 500 einer ersten Art und eine Schaltstufe 510 einer zweiten Art. Die Schaltstufen der ersten Art können beispielsweise der Schaltstufe 70 gemäß der 4 und die Schaltstufe 510 der Schaltstufe 80 gemäß der 5 entsprechen.In the 7 is another embodiment of a switching arrangement 10 shown. In contrast to the embodiment according to the 1 has these six switching stages (n = 6), namely five switching stages 500 a first type and a switching stage 510 a second type. The switching stages of the first type can, for example, the switching stage 70 according to the 4 and the switching stage 510 the switching stage 80 according to the 5 correspond.

Die Leitungstrafos 520 weisen jeweils zwei interne TEM-Leitungen mit den Wellenwiderständen (n·Z0)/2 auf und entsprechen vom übrigen Aufbau her beispielsweise dem Leitungstrafo 30 gemäß der 3.The line transformers 520 each have two internal TEM lines with the characteristic impedance (n · Z0) / 2 and correspond to the rest of the structure ago, for example, the line transformer 30 according to the 3 ,

Für die Schaltanordnung gemäß der 7 gelten die obigen Erläuterungen entsprechend; sie lässt sich also wie die Schaltanordnung gemäß den 1–6 betreiben.For the switching arrangement according to the 7 the above explanations apply accordingly; It can therefore be like the switching arrangement according to the 1 - 6 operate.

1010
Schaltanordnungswitching arrangement
A10a, A10bA10a A10b
Schaltanschluss der Schaltanordnungswitching terminal the switching arrangement
S10S10
Steuereingang der Schaltanordnungcontrol input the switching arrangement
2020
VerteilernetzwerkDistribution network
E20E20
Anschluss des Verteilernetzwerksconnection of the distribution network
A20a, A20b, A20cA20a, A20b, A20c
Ausgang des Verteilernetzwerksoutput of the distribution network
30, 40, 5030 40, 50
Leitungstrafoline transformer
E30, E40, E50E30, E40, E50
Eingang des Leitungstrafoentrance the line transformer
A30, A40, A50A30, A40, A50
Ausgang des Leitungstrafooutput the line transformer
60, 70, 8060 70, 80
Schaltstufeswitching stage
S60, S70, S80S60 S70, S80
Steuereingang der Schaltstufecontrol input the switching stage
A60a, A60bA60a, A60b
Schaltanschluss der Schaltstufeswitching terminal the switching stage
A70a, A70bA70a, A70b
Schaltanschluss der Schaltstufeswitching terminal the switching stage
A80a, A80bA80a, A80b
Schaltanschluss der Schaltstufeswitching terminal the switching stage
100, 105, 110100 105, 110
HilfswellenleiterSubsidiary waveguide
150, 155150 155
EingangsteilleiterInput conductor
160160
TEM-LeitungTEM line
170170
TEM-LeitungTEM line
175, 180175 180
andere Teilleiterother conductor
185185
Bereich des EingangsArea of the entrance
190190
KurzschlussleitungShort-circuit line
195195
Bereich des AusgangsArea of the exit
200200
KurzschlussleitungShort-circuit line
210210
Ferritringferrite
215215
ÜberkreuzungsbereichCrossover region
305305
Anschluss des Hilfswiderstandsconnection of auxiliary resistance
310310
Steueranschluss des Steuereingangescontrol connection of the control entrance
315315
anderer Anschluss des Hilfswiderstandesanother Connection of auxiliary resistance
320320
Anschluss des zusätzlichen Hilfswiderstandesconnection the additional auxiliary resistance
325325
anderer Anschluss des zusätzlichen Hilfswiderstandesanother Connection of additional auxiliary resistance
350350
Spannungsinvertervoltage inverter
355355
Invertierender Einganginverting entrance
360360
nichtinvertierender Einganginverting entrance
500500
Schaltstufe erster Artswitching stage first kind
510510
Schaltstufe zweiter Artswitching stage second kind
520520
Leitungstrafoline transformer
Chch
Hilfskapazitätauxiliary capacity
ClCl
Ladekapazitätloading capacity
CsCs
Stützkapazitätsupport capacity
BB
BasisBase
Ee
Emitteremitter
KK
Kollektorcollector
Rlrl
Lastwiderstandload resistance
RR
Ladewiderstandload resistance
RvRv
Hauptwiderstandmain resistance
Rhrh
Hilfswiderstandauxiliary resistor
TT
Schaltelementswitching element
UsUs
Steuerspannung bzw. Steuerpulscontrol voltage or control pulse
UaUa
ein- und auszuschaltende Spannungone- and off voltage
UteUte
Spannungtension
UtaUta
Spannungtension
UbeUbe
Basis-Emitter-SpannungBase-emitter voltage
UhUh
Spannung an Hilfswiderstand/Vorspannungtension to auxiliary resistance / preload
Ubub
regelbare Spannungsquelleadjustable voltage source
VV
Verbindungsstellejunction
Z0Z0
Wellenwiderstandimpedance

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Claims (24)

Schaltanordnung (10) mit zumindest zwei ausgangsseitig elektrisch in Reihe geschalteten Schaltstufen (60, 70, 80, 500, 510), wobei die Schaltanordnung in ihrem eingeschalteten Zustand niederohmig und in ihrem ausgeschalteten Zustand hochohmig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstufen eingangsseitig jeweils mit einem Ausgang (A30) eines individuellen Leitungstrafos (30, 40, 50) verbunden und über diesen von außen ansteuerbar sind.Switching arrangement ( 10 ) with at least two output stages electrically connected in series ( 60 . 70 . 80 . 500 . 510 ), wherein the switching arrangement in its switched-on state has a low impedance and in its switched-off state has a high impedance, characterized in that the switching stages each have an output (A30) of an individual line transformer ( 30 . 40 . 50 ) are connected and controlled via this from the outside. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungstrafos jeweils zwei TEM-Leitungen (160, 170) aufweisen.Switching arrangement according to Claim 1, characterized in that the line transformers each have two TEM lines ( 160 . 170 ) exhibit. Schaltanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass im Bereich (185) des Eingangs (E30) des Leitungstrafos ein Teilleiter (175) einer der TEM-Leitungen (160) mit einem Teilleiter (180) der anderen TEM-Leitung (170) verbunden ist und die jeweils beiden anderen Teilleiter (150, 155) Eingangsteilleiter des Leitungstrafos bilden und – dass die beiden Eingangsteilleiter im Bereich (195) des Ausgangs (A30) des Leitungstrafos verbunden sind und die am Eingang verbundenen Teilleiter (175, 180) am Ausgang (A30) Ausgangsteilleiter des Leitungstrafos bilden.Switching arrangement according to Claim 2, characterized in that - in the region ( 185 ) of the input (E30) of the line transformer a sub-conductor ( 175 ) one of the TEM lines ( 160 ) with a leader ( 180 ) of the other TEM line ( 170 ) and the other two sub-leaders ( 150 . 155 ) Form the input partial conductor of the line transformer and - that the two input partial conductors in the region ( 195 ) of the output (A30) of the line transformer and the input conductors ( 175 . 180 ) at the output (A30) form the output partial conductor of the line transformer. Schaltanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden TEM-Leitungen durch einen Ferritkern (210) hindurchgeführt ist.Switching arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that at least one of the two TEM lines by a ferrite core ( 210 ) is passed. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungstrafos über eine Verteilereinrichtung (20) mit dem Steuereingang (S10) der Schaltanordnung in Verbindung stehen, wobei die Leitungstra fos an die Verteilereinrichtung wellenwiderstandsmäßig angepasst sind.Switching arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the line transformers via a distribution device ( 20 ) are in communication with the control input (S10) of the switching arrangement, wherein the Leitungsstra fos are adapted to the distribution device wave resistance. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungstrafos eingangsseitig elektrisch parallel geschaltet sind.Switching arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the line transformers input side electrically are connected in parallel. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungstrafos eingangsseitig elektrisch in Reihe geschaltet sind.Switching arrangement according to one of the preceding claims 1-5, characterized in that the line transformers input side are electrically connected in series. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung ausgangsseitig eine Kette von Widerstandsreihenschaltungen (Rh, Rv) aufweist, die im ausgeschalteten Zustand der Schaltanordnung eine anliegende Speisespannung (Ua) auf die Schaltstufen verteilt.Switching arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the switching arrangement on the output side a series of series resistor circuits (Rh, Rv), which in the switched off state of the switching device an applied supply voltage (Ua) distributed to the switching stages. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schaltstufe derart ausgestaltet ist, dass ein Teil der an der Schaltstufe abfallenden Spannung (Uh) auf einen Steueranschluss (310) der potentialmäßig höher liegenden Schaltstufe als Vorspannung rückgekoppelt wird.Switching arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least one switching stage is designed such that a part of the voltage dropping at the switching stage (Uh) to a control terminal ( 310 ) of the potentially higher-lying switching stage is fed back as a bias voltage. Schaltanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung (Uh) derart rückgekoppelt wird, dass die zum Einschalten der Schaltstufe erforderliche Steuerspannung erhöht wird.Switching arrangement according to Claim 9, characterized that the bias voltage (Uh) is fed back in such a way that the control voltage required to turn on the switching stage is increased. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schaltstufe zumindest zwei Widerstände (Rh, Rv) zugeordnet sind, nämlich ein Hauptwiderstand (Rv) und ein Hilfswiderstand (Rh), wobei der Hauptwiderstandswert größer als der Hilfswiderstandswert ist.Switching arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that each switching stage at least two resistors (Rh, Rv), namely a main resistance (Rv) and an auxiliary resistance (Rh), the main resistance value being larger as the auxiliary resistance value. Schaltanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem Schaltelement T eine Stützkapazität (Cs) parallel geschaltet ist.Switching arrangement according to Claim 11, characterized that to the switching element T, a supporting capacity (Cs) is connected in parallel. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11–12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfswiderstand derart mit dem Steuereingang (S70) der potentialmäßig höher liegenden Schaltstufe in Verbindung steht, dass der Spannungsabfall (Uh) am Hilfswiderstand auf einen Steueranschluss (310) des Steuereingangs als Vorspannung rückgekoppelt wird.Switching arrangement according to one of the preceding claims 11-12, characterized in that the auxiliary resistor in such a way with the control input (S70) of the higher potential switching stage is in communication that the voltage drop (Uh) on the auxiliary resistor to a control terminal ( 310 ) of the control input is fed back as a bias voltage. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11–13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfswiderstand derart mit dem Steuereingang (S70) der Schaltstufe in Verbindung steht, zum Einschalten der Schaltstufe zumindest eine Steuerspannung (Us) am Steuereingang der Schaltstufe erforderlich ist, die den Spannungsabfall (Uh) am Hilfswiderstand überschreitet.Switching arrangement according to one of the preceding claims 11-13, characterized in that the auxiliary resistance in such a way with the control input (S70) of the switching stage in conjunction is, for switching on the switching stage at least one control voltage (Us) is required at the control input of the switching stage, the Voltage drop (Uh) exceeds the auxiliary resistance. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11–14, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Schaltstufe (500) einer ersten Art gibt, bei der ein Anschluss (315) des Hilfswiderstands (Rh) mit einem Steueranschluss (310) der potentialmäßig höher liegenden Schaltstufe verbunden ist.Switching arrangement according to one of the preceding claims 11-14, characterized in that it comprises at least one switching stage ( 500 ) of a first type in which a connection ( 315 ) of the auxiliary resistor (Rh) with a control terminal ( 310 ) is connected to the potential higher level switching stage. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11–15, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Zusammenschaltung von Schaltstufen zu dem Hilfswiderstand eine Hilfskapazität (Ch) parallel geschaltet ist.Switching arrangement according to one of the preceding claims 11-15, characterized in that after the interconnection from switching stages to the auxiliary resistor an auxiliary capacitance (Ch) is connected in parallel. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11–16, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Schaltstufe einer zweiten Art gibt, bei der ein Anschluss (320) eines zusätzlichen Hilfswiderstands (Rh') mit einem Eingang (355) eines Spannungsinverters (350) verbunden ist, der das Spannungspotential des zusätzlichen Hilfswiderstands (Rh') invertiert über einen Sekundärhilfswiderstand (Rh'') an einen Steueranschluss (310) der Schaltstufe legt.Switching arrangement according to one of the preceding claims 11-16, characterized that there is at least one switching stage of a second type, in which a connection ( 320 ) of an additional auxiliary resistor (Rh ') with an input ( 355 ) of a voltage inverter ( 350 ), which inverts the voltage potential of the additional auxiliary resistor (Rh ') via a secondary auxiliary resistor (Rh'') to a control terminal ( 310 ) of the switching stage sets. Schaltanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einschalten der Schaltstufe der zweiten Art zumindest eine Steuerspannung am Steuereingang der Schaltstufe erforderlich ist, die den Spannungsabfall am Hilfswiderstand überschreitet.Switching arrangement according to Claim 17, characterized that for switching on the switching stage of the second kind at least one Control voltage is required at the control input of the switching stage, which exceeds the voltage drop in the auxiliary resistor. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 17–18, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsinverter durch einen Operationsverstärker (350) gebildet ist.Switching arrangement according to one of the preceding claims 17-18, characterized in that the voltage inverter is replaced by an operational amplifier ( 350 ) is formed. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 17–19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Steuereingang (310) und dem Anschluss (325) eine Hilfskapazität (Ch) elektrisch in Reihe geschaltet ist.Switching arrangement according to one of the preceding claims 17-19, characterized in that between the control input ( 310 ) and the connection ( 325 ) An auxiliary capacitance (Ch) is electrically connected in series. Schaltanordnung (10) mit zumindest zwei ausgangsseitig elektrisch in Reihe geschalteten Schaltstufen (500, 510), wobei die Schaltanordnung in ihrem eingeschalteten Zustand niederohmig und in ihrem ausgeschalteten Zustand hochohmig ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schaltstufe (60, 70, 500) derart ausgestaltet ist, dass ein Teil der an der Schaltstufe abfallenden Spannung (Uh) auf einen Steueranschluss (310) der potentialmäßig höher liegenden Schaltstufe als Vorspannung rückgekoppelt wird.Switching arrangement ( 10 ) with at least two output stages electrically connected in series ( 500 . 510 ), wherein the switching arrangement in its switched-on state is low-resistance and in its switched-off state has high resistance, characterized in that at least one switching stage ( 60 . 70 . 500 ) is configured such that a part of the voltage dropping at the switching stage (Uh) is applied to a control terminal ( 310 ) of the potentially higher-lying switching stage is fed back as a bias voltage. Schaltanordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung derart rückgekoppelt wird, dass sie die zum Einschalten der Schaltstufe erforderliche Schaltspannung erhöht.Switching arrangement according to Claim 21, characterized that the bias voltage is fed back so that they the switching voltage required to turn on the switching stage elevated. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 21–22, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der an der Schaltstufe abfallenden Spannung (Uh') mittels eines Spannungsinverters zurückgekoppelt wird.Switching arrangement according to one of the preceding claims 21-22, characterized in that the part of the at Switching step falling voltage (Uh ') fed back by means of a voltage inverter becomes. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 21–23, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schaltstufe (500) einer ersten Art und eine Schaltstufe (510) einer zweiten Art vorhanden ist, – wobei bei einer Schaltstufe der ersten Art der Anteil der an der Schaltstufe (500) abfallenden Spannung (Uh) auf einen Steueranschluss (310) der potentialmäßig höher liegenden Schaltstufe als Vorspannung rückgekoppelt wird und – wobei bei einer Schaltstufe (510) der zweiten Art zusätzlich die an der Schaltstufe abfallenden Spannung (Uh') auf einen Steueranschluss (310) der Schaltstufe (510) als Vorspannung mittels eines Spannungsinverters invertiert rückgekoppelt wird.Switching arrangement according to one of the preceding claims 21-23, characterized in that at least one switching stage ( 500 ) of a first type and a switching stage ( 510 ) of a second type is present, - wherein at a switching stage of the first type, the proportion of the switching stage ( 500 ) dropping voltage (Uh) to a control terminal ( 310 ) of the potentially higher-lying switching stage is fed back as a bias voltage and - wherein at a switching stage ( 510 ) of the second type additionally the voltage dropping at the switching stage (Uh ') to a control terminal ( 310 ) of the switching stage ( 510 ) is fed back inversely as a bias voltage by means of a voltage inverter.
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