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Impulsgeber kontinuierlich einstellbarer Impulsfolgefrequenz Die Erfindung
bezieht sich auf einen Impulsgeber kontinuierlich einstellbarer Impulsfolgefrequenz
mit einem wechselweise auf einen leitenden oder nichtleitenden Schaltzustand steuerbaren
Schaltelement, vorzugsweise einem Transistor, dessen gesteuerter Kreis auf den Steuerkreis
rückgekoppelt ist und mit diesen einen Ohmschen Widerstand gemeinsam hat. In der
Impulstechnik und ihren zahlreichen Anwendungen in der Steuerungs-, Regelungs- und
Übertragungstechnik tritt häufig die Forderung nach Impulsgeneratoren auf, deren
Impulsfolgefrequenz sich in Abhängigkeit von einer Steuergleichspannung kontinuierlich
verändern läßt. Gefordert wird dabei ein linearer Zusammenhang zwischen Steuergleichspannung
und Impulsfolgefrequenz über einen sehr großen Frequenzbereich. Als Beispiel sei
ein Frequenzbereich zwischen 10 kHz und MHz angenommen. Die mit bekannten
Schaltungsanordnungen, z. B. LC-Generatoren, astabilen Multivibratoren, erzielbare
Frequenzvariation liegt maximal bei einem Verhältnis von 1 : 6.
Es ist auch
bekannt, eine sehr große Frequenzvariation durch Verwendung eines Überlagerungsgenerators
herzustellen. Hierbei wird die gewünschte Frequenz als Differenzfrequenz einer festen
und einer variablen Frequenz gewonnen, die beide in der gleichen Größenordnung,
aber mindestens um eine Größenordnung Über der Ausgangsfrequenz liegen. Es ist auch
bereits bekannt, die Schwingungen eines Transistoroszillators hochzutransformieren,
indem die Stabilisierungswirkung durch Änderung der Basis-Emitter-Steuerspannung
mit Hilfe eines gesteuerten Nebenschlusses ausgenutzt wird.
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Bei einer verlangten hohen Ausgangsfrequenz sind entsprechend hohe
Grundfrequenzen erforderlich, deren Erzeugung einen großen Aufwand erfordert, da
die Anforderungen an die Konstanz entsprechend höher sind. Die Aussiebung der Ausgangsfrequenz
bereitet gleichfalls Schwierigkeiten. Als Impulsgeber mit einstellbarer Impulsfolgefrequenz
werden auch sogenannte Transistorsperrschwinger verwendet. Die Impulsfolgefrequenz
bei diesen Geräten hängt ab von der Größe des RC-Gliedes im Emitterkreis des Transistors.
Mit steigendem Basisstrom steigt auch die Impulsfolgefrequenz. Bei derartigen Sperrschwingern
ist der Transistor im Ruhezustand, d. h. dann, wenn er keinen Ausgangsimpuls
abgibt, gesperrt. Zur Im-
pulsabgabe muß der Transistor geöffnet werden. Diese
Sperrschwinger sind für eine Reihe von Anwendungsfällen ungeeignet, worauf weiter
unten noch eingegangen wird. So besitzen sie beispielsweise nur eine geringe Möglichkeit
zur Frequenzvariation, deren Verhältnis etwa 1 : 7 ist. Auch die mögliche
Amplitudenvariation liegt in der gleichen Größenordnung.
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Die Erfindung zeigt nun einen Weg, der es gestattet, die bei den bisher
bekannten Geräten auftretenden Schwierigkeiten zu überwinden und in einfacherer
Weise einen großen Impulsfolgefrequenzbereich zu erreichen. Bei einem Impulsgeber
kontinuierlich einstellbarer Impulsfolgefrequenz mit einem wechselweise auf einen
leitenden oder nichtleitenden Schaltzustand steuerbaren Schaltelement, vorzugsweise
einem Transistor, dessen gesteuerter Kreis auf dem Steuerkreis rückgekoppelt ist,
und mit diesem einen Ohmschen Widerstand gemeinsam hat, wird dies nach der Erfindung
dadurch erreicht, daß der in seinem Leitungszug die Sekundärwicklung des Transformators
enthaltende Steuerkreis an einer Steuerspannung solcher Größe liegt, daß bei dem
sich zunächst einstellenden Steuerstrom das Schaltelement geöffnet ist und der durch
die am gesteuerten Kreis liegende Betriebsspannung hervorgerufene Strom für eine
vorgegebene Zeitdauer ansteigt und dabei den Steuerstrom so weit vermindert, bis
er das Schaltelement sperrt, so daß der Steuerstrom erneut ansteigt und am Ausgang
ein Spannungsimpuls auftritt, und daß die Impulsfolgefrequenz durch die Vorgabe
der Spannungen in dem Impulsgeber und/oder der Ohmschen bzw. induktiven Widerstände
einstellbar bzw. änderbar ist.
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Dabei wird der Arbeitspunkt der Schaltung vorzugsweise durch eine
Steuerspannung, die negativer als die Betriebsspannung ist, so gelegt, daß der leitende
Schaltzustand des Schaltelementes stabil ist. Die
Schaltung wird
dann durch eine zusätzliche Spannung erregt. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens
kann auch der Arbeitspunkt der Schaltung vorzugsweise durch eine Steuerspannung
zwischen dem Bezugspotential und der Betriebsspannung am gesteuerten Kreis so gelegt
werden, daß auch der leitende Schaltzustand des Schaltelementes instabil ist und
sich die Schaltung selbst erregt. Für spezielle Zwecke kann es vorteilhaft sein,
den Impulsgeber durch vorzugsweise den Steuerkreis zugeführte Synchronisierimpulse
zu synchronisieren. Die Synchronisierfrequenz soll dabei wenig größer sein als die
Eigenfrequenz, die die Schaltung beim Fehlen der Synchronisierimpulse besitzt.
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Eine weitere Ausbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, daß
der Schaltung vorzugsweise über den Steuerkreis eine sich ändernde Gleichspannung
zugef ührt wird ' durch die sie bei Über- oder Unterschreiten eines festen
Schwellwertes erregt wird. Führt man der Schaltung vorzugsweise über den Steuerkreis
eine Impulsfolge zu, die sie entsprechend erregt, so ruft jeder Eingangsimpuls einen
Ausgangsimpuls hervor, wenn der Abstand der Eingangsimpulse voneinander einen Mindestwert
übersteigt. Soll die Frequenz der abgegebenen Impulsfolge gleich dem n-ten Teil
der zugeführten Impulsfolgefrequenz sein, so kann man die Schaltung derart auslegen,
daß die Eigenfrequenz des Impulsgebers gerade wenig kleiner als das n-fache der
Eingangsimpulsfolgefrequenz ist. Man kann in diesem Fall die Schaltung aber auch
so bemessen, daß der Quotient aus n und der Erholzeit der Schaltung, die crforderlich
ist, damit zwei aufeinanderfolgende Eingangsimpulse zwei getrennte Ausgangsimpulse
ergeben, wenig kleiner als die Frequenz der Eingangsimpulsfolge ist.
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Weiter ist es vorteilhaft, wenn eine Speisespannungsquelle merklichen
Innenwiderstandes, vorzugsweise von der Größenordnung des Verbraucherwiderstandes,
der bei der niedrigsten Impulsfolgefrequenz vernachlässigbar ist, verwendet wird,
so daß sich die Betriebsspannung in Abhängigkeit von der Stromaufna nie derart ändert,
daß die Impulsamplitude nahezu konstant bleibt. Das Auftreten eines niederohmigen
und eines hochohmigen Zustandes des Schaltelementes kann auch für Schaltzwecke ausgenutzt
werden. Eine Vergrößerung des Steuerbereiches zu kleinen Frequenzen hin läßt sich
bei der angegebenen Schaltung durch im Nebenpfad des Steuerkreises und des gesteuerten
Kreises geschaltete Zenerdioden erreichen. Zur Vergrößerung des Steuerbereiches
kann ein parallel zu dem dem Steuerkreis und dem gesteuerten Kreis gemeinsamen Widerstand
geschalteter Kondensator dienen.
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In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele des Impulsgebers
nach der Erfindung dargestellt. Zwischen den Klemmen 1 und 2 liegt die Betriebsspannung
- Ub der Schaltung. Dabei liegt die Klemme 1
auf Nullpotential. Zwischen
den Klemmen 1 und 3
kann dann dieAusgangsimpulsfolge abgegriffen werden.
Die Steuerspannung wird dem Impulsgeber zwischen dem NuRpotential und der Klemme
4 zugeführt. Bei der Schaltung nach Fig. 1 liegt der Transistor
5 über die Primärwicklung 7 des Transformators 6 mit seinem
Kollektor an der Betriebsspannung - Ub und über den Widerstand
9 mit seinem Emitter am Nullpontential. Dieser Widerstand 9 gehört
sowohl dem gesteuerten Ausgangskreis als auch dem Steuerkreis an. In dem Steuerkreis
ist die Stetierspannung - Ust, über die Sekundärwicklung 8 des Transformators
6 der Basis des Transistors zugeführt. Für die Spannung gilt die Beziehung
0 > - Ust > - Ub. Die Wicklungen des Transformators
6 seien dabei so gepolt, daß eine Ab-
nahme des Stromes in der Primärwicklung
7 über die in der Sekundärwicklung 8 induzierte Spannung im Sinne
einer Abnahme des Basisstromes wirkt. Es sei nun für die Betrachtung der Wirkungsweise
der Schaltung nach der Erfindung zunächst angenommen, daß der Basisstrom -iB einen
so hohen Wert hat, daß die Kollektor-Emitter-Spannung -ucE des Transistors so klein
ist, daß der Transistor-Arbeitspunkt im steil ansteigenden Ast der Kennlinie Ic
= f (ucE) unterhalb des Knickpunktes liegt. In dem betrachteten Augenblick
sei der Kollektorstrom ic = 0. In dem Kollektorstromkreis stellt die Primärwicklung
7 des Transformators 6 eine Induktivität L, dar. Diese Induktivität
liegt in Reihe mit dem wirksamen Emitter-Kollektor-Widerstand des Transistors. Bei
den angenommenen Stromspannungsverhältnissen wird nun der Kollektorstrom zunächst
zeitlinear ansteigen. Damit wächst auch die Spannung an dem Widerstand
9.
Gleichzeitig nimmt aber die Basis-Emitter-Spannung -UBO ab, was eine Abnahme
des Basisstromes zur Folge hat. Nimmt man annäherungsweise an, daß die Spannung
am Widerstand 9, d. h. die Spannung -uE 0 zwischen Emitter und Nullpotential,
zunächst konstant bleibt, so nimmt der Basisstrom im gleichen Maße zeitlinear ab,
wie der Kollektorstrom zunimmt. Es findet also eine Stromübernahme von der Basis
des Transistors auf den Kollektor statt. Diese sogenannte Stromverteilungssteuerung
ergibt sich auf Grund der Diodeneigenschaften der Emitter-Basis-Strecke. Die in
der Sekundärwicklung 8 induzierte Spannung beeinflußt diesen Vorgang nicht
wesentlich.
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Sinkt der Basisstrom unter einen bestimmten, vom jeweiligen Kollektorstrom
abhängigen Wert, so wird der Transistor steuerfähig. Die Kollektor-Emitter-Span-'
nung steigt von einem vernachlässigbar kleinen Wert plötzlich an. Dadurch verringert
sich die zeitliche Anstiegssteilheit des Kollektorstromes
und wechselt schließlich das Vorzeichen. Die in der Sekundärwicklung 8 induzierte
Spannung wechselt ebenfalls das Vorzeichen und unterstützt die Sperrung der Emitter-Basis-Strecke,
so daß der Transistor plötzlich gesperrt wird. Wenn die Spannung an der Sekundärseite
des Transformators wieder gegen Null geht, wird der Transistor leitend, und der
beschriebene Vorgang beginnt von neuem.
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Bei gleicher Arbeitspunkteinstellung hängt die Impulsfolgefrequenz
nur von der Primärinduktivität L, der Primärwicklung 7 des Transformators
ab.
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Die Steuerung der Impulsfolgefrequenz in Abhängigkeit der Steuerspannung
- Ust erfolgt über die an dem für den Kollektor-Stromanstieg maßgebendem
RL-Glied anliegende Spannung [uRL -- - Ub - (- UE o)1
- die Spannung -uE 0 ist ungefähr gleich der Steuerspannung - Ust
- und durch die Vorgabe verschiedener Basisstromwerte -iB in Abhängigkeit
von der Steuergleichspannung und von dem Wert des Widerstandes 8 zu Beginn
der Impulsperiode. Der Basisstrom ist im wesentlichen der Steuerspannung proportional.
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Unter der Annahme gleicher absoluter Änderungen der Steuerspannung
ist bei großen Steuerspannungen die relative Änderung der am RL-Gied anliegenden
Spannung -URL am größten, bei kleinen Steuerspannungen die des Basisstromes -iB.
Bei großen Steuerspannungen (niedrigste Frequenz) hängt also die
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mpulsfrequenz im wesentlichen von URL, bei kleinen Steuerspannungen im wesentlichen
von -iB ab. Bei mittleren Steuerspannungen sind beide Einflüsse wirksam. Das ergibt
bei großem Frequenzbereich gute Linearität.
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Die Vorteile des beschriebenen Impulsgebers liegen in seinem einfachen
Aufbau, der geringen Betriebsspannung und der Möglichkeit, durch Anzapfung an den
Wicklungen des Übertragers ohne zusätzlichen Aufwand die gewünschte Ausgangsimpedanz
zu erzielen. Dies kann auch mit Hilfe einer besonderen Ausgangswicklung geschehen,
an der dann eine erdfreie Impulsspannung zur Verfügung steht.
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. Die Impulsgabe basiert auf der Unterbrechung eines Stromes
in einer Induktivität. Hierbei lassen sich wesentliche größere Stromänderungen pro
Zeiteinheit erzielen als bei der Einschaltung eines Stromes, die hohe Spitzenströme
erfordert, wie es bei dem Transistorsperrschwinger der Fall ist. Die vorgeschlagene
Ausführung ergibt demnach größere Ausgangs-Impulsamplituden am Kollektor des Transistors,
die bis zum 8fachen der Betriebsspannung betragen können. Die Anstiegszeit der Impulse
ist wesentlich kleiner als bei dem Transistorsperrschwinger und kann bis herab zu
50 ns betragen.
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Da der Transistor nur während der Impulsgabe gesperrt, im übrigen
aber leitend und sehr niederohmig ist, werden Ein- und Ausschwingungsvorgänge so
stark bedämpft, daß, im Gegensatz zum Sperrschwinger, der, wie oben ausgeführt,
im Normalzustand gesperrt und nur während der Impulsgabe geöffnet ist, keine zusätzlichen
Bedämpfungsmittel, z. B. Dioden, erforderlich sind. Der niederohmige Betrieb des
Transistors macht den beschriebenen Impulsgeber geeignet für hohe Impulsfolgefrequenzen
und kleine Anstiegzeiten. Durch die Strornübernahme zwischen Basis und Kollektor
ergibt sich ein scharfes Kriterium für den Impulsbeginn. Im Gegensatz zum Sperrschwinger
ist die Konstanz der Impulsperiode von Periode zu Periode so gut wie bei einem LC-Oszillator.
Auf Grund der angegebenen Zweifachsteuerung der Frequenz ergibt sich ein großer
Frequenz:bereich, etwa 1 : 40, bei guter Linearität. Die Amplitude des Ausgangsimpulses
ändert sich nur etwa mit einem Zwanzigstel der Frequenzvariation. Die Konstanz der
Ausgangsamplitude bei Frequenzänderung läßt sich, dank der frequenzabhängigen Stromaufnehme
der Schaltungsanordnung, dadurch noch verbessern, daß man den Impulsgeber aus einer
Spannungsquelle speist, deren Innenwiderstand vergleichbar mit dem Verbraucherwiderstand,
für die Impulsfolgefrequenz aber vernachlässigbar klein ist.
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Das scharfe Kriterium für die Impulsauslösung ergibt bei Verwendung
als Amplitudendiskriminator eine größere Ansprechempfindlichkeit und bessere Reproduzierbarkeit
als bei Verwendung eines Sperrschwingers.
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Eine Verbesserung der Schaltung nach Fig. 1 ist in der Fig.
2 dargestellt. Die Schaltelemente, die bereits bei der Beschreibung der Fig.
1 erwähnt worden sind und die bei der Schaltung nach Fig. 2 die gleichen
Aufgaben erfüllen, sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen. Diese Schaltung
unterscheidet sich von der Schaltung nach Fig. 1 dadurch, daß in den Steuerkreis
ein Kondensator 10 und eine Zenerdiode 11 eingefügt sind. Entsprechend
sind in den gesteuerten Kreis der Kondensator 12 und die Zenerdiode 13 gelegt.
Zusätzlich sind noch die Widerstände 14 bis 16 eingefügt. Durch die Einschaltung
der zwei Zenerdioden ist es möglich, den Impulsgeber bei guter Linearität bis zu
wesentlich kleineren Frequenzen auszusteuern. Außer einem größeren Steuerbereich
wird auch eine große Ausgangsamplitude bei besserer Konstanz über den gesamten Frequenzbereich
erzielt. Die Zeitkonstante RC des Kreises aus dem Widerstand 9 und dem Kondensator
12 wird dabei so gewählt, daß sich während der Sperrzeit des Transistors die Emitterspannung
-u-,() nicht wesentlich ändert. Im Gegensatz zu dem Transistorsperrschwinger bleibt
der Wert des Widerstandes 9 jedoch klein. Das durch diesen Widerstand und
den Kondensator 12 gebildete RC-Glied soll dabei nicht die Frequenz beeinflussen.
Der Kondensator darf daher nur so groß gemacht werden, daß während des zeitlinearen
Kollektorstromanstiegs sein Ladestrom immer klein ist gegenüber dem Emitterstrom
iE. Die Frequenz der Ausgangsimpulsfolge ist dann unabhän-gig von der Größe
dieses Kondensators. Da bei der beschriebenen Schaltung in dem wenig temperatur
abhängigen steilen Bereich der Kennlinie gearbeite wird, ist sie auch weitgehend
temperaturunabhängig