DE1133774B

DE1133774B - Schaltungsanordnung zum Stabilisieren einer Spannung

Info

Publication number: DE1133774B
Application number: DEN20219A
Authority: DE
Inventors: Gerrit Hendrik Petrus Alma; Willem Busscher
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1960-06-24
Filing date: 1961-06-20
Publication date: 1962-07-26
Also published as: FR1292755A; GB938555A; US3217236A; NL253082A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Stabilisieren einer Spannung mit Hilfe einer parallel zur Belastung der Schaltungsanordnung liegenden Ballaströhre, die in entgegengesetztem Sinne zu und in Abhängigkeit von den Änderungen der erwähnten Belastung gesteuert wird.

Solche Schaltungsanordnungen finden vielfach in Fernsehempfängern Anwendung zum Erzeugen der Hochspannung zum Speisen der Ausgangsanode der Bildwiedergaberöhre. Die Hochspannung wird dabei mittels der Ballaströhre stabilisiert, so daß Änderungen des Elektronenstrahlstromes durch die Wiedergaberöhre, welche die Belastung für die Schaltungsanordnung darstellt, keine Änderungen der erzeugten Hochspannung bewirken.

Die Verwendung einer solchen Ballaströhre hat aber den Nachteil, daß sie eine große Verlustleistung hat, da bei unterdrücktem Elektronenstrahlstrom die ganze vom Hochspannungskreis gelieferte Energie von der Ballaströhre aufgenommen werden muß.

Außerdem liegt die vollständige Hochspannung an der Ballaströhre, so daß diese für eine hohe Durchschlagspannung berechnet sein muß.

Demzufolge muß die Röhre besonders große Abmessungen aufweisen. Wegen ihres großen Kolbens weicht diese Röhre von den normalerweise verwendeten Röhrentypen ab, so daß solche Kolben entweder von Hand oder auf einer besonderen Maschine hergestellt werden müßten. Auch die Abmessungen der Elektroden weichen von denen der normalerweise verwendeten Röhren beträchtlich ab. Unter diesen Umständen würde die Herstellung einer solchen Ballaströhre kostspielig werden.

Um diese Nachteile zu beseitigen, weist die Schaltungsanordnung nach der Erfindung das Kennzeichen auf, daß in Reihe mit der Anode der Ballaströhre ein spannungsabhängiger Widerstand geschaltet ist.

Eine mögliche Ausführungsform einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Ausführungsform, und in

Fig. 2 ist eine mögliche Anodenstrom-Gitterspannungs-Kennlinie einer in Fig. 1 verwendeten Ballaströhre dargestellt.

In Fig. 1 stellt die Röhre 1 die Ausgangsstufe einer Zeilenablenkschaltung in einem Fernsehempfänger dar. Dem Steuergitter dieser Röhre wird eine Steuerspannung 2 zugeführt, welche die Röhre 1 periodisch entsperrt. Im Anodenkreis der Röhre 1 liegt ein Zeilenausgangstransformator 3 mit einer Primärwicklung 4 und einer Sekundär- oder Hochspannungs-Schaltungsanordnung zum Stabilisieren
einer Spannung

Anmelder:

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dipl.-Ing. E. E. Walther, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 24. Juni 1960 (Nr. 253 082)

Gerrit Hendrik Petrus Alma

und Willem Busscher, Eindhoven (Niederlande),

sind als Erfinder genannt worden

wicklung 5. An eine Anzapfung der Primärwicklung 4 ist die Kathode der Reihenspardiode 6 angeschlossen, deren Anode mit der positiven Klemme einer eine Spannung von F₆VoIt liefernden Speisespannungsquelle verbunden ist. Das untere Ende der Primärwicklung 4 ist mit dem Kondensator 7 verbunden, dessen anderes Ende gleichfalls an die positive Klemme der Speisespannungsquelle angeschlossen ist.

Der Kondensator? gehört bekanntlich zum Reihenspardiodenkreis, und am Verbindungspunkt des Kondensators 7 und der Primärwicklung 4 entsteht eine positive Gleichspannung, die beträchtlich höher als die Speisespannung V_b ist. An die Primärwicklung 4 ist auch die Zeilenablenkspule 8 angeschlossen, welche vom erzeugten sägezahnförmigen Ablenkstrom durchflossen wird, mittels dessen der Elektronenstrahl durch die Wiedergaberöhre 9 in horizontaler Richtung abgelenkt wird.

An das freie Ende der Hochspannungswicklung 5 ist die Gleichrichterdiode 10 angeschlossen. Die Impulse, welche beim Rückschlag des sägezahnförmigen Stromes entstehen und mittels der Wicklung 5 herauftransportiert worden sind, werden von der Diode 10 gleichgerichtet, so daß sich eine Hochspannung V_n ergibt, die zur Speisung der Ausgangsanode der Bildwiedergaberöhre 9 dient.

209 627/224-

Nun kann bekanntlich der Elektronenstrahlstrom durch die Wiedergaberöhre 9 geändert werden. Dies kann einerseits durch das Videosignal erfolgen, das im vorliegenden Beispiel über die Videoausgangsröhe 11 der Kathode der Bildwiedergaberöhre 9 zugeführt wird, und andererseits durch Änderung der Vorspannung am Wehneltzylinder 12 zur Einstellung der Hintergrundhelligkeit des mittels der Bildröhre 9 wiedergegebenen Fernsehbildes.

Nun hat ein solcher Hochspannungsgenerator stets einen verhältnismäßig hohen inneren Widerstand. Eine Änderung des Elektronenstrahlstromes würde daher eine Änderung der erzeugten Spannung V_n zur Folge haben, was unerwünscht ist. Insbesondere bei Farbfernsehempfängern bringt eine solche Änderung der Hochspannung V_n eine Farbverzerrung mit sich, da die in einem solchen Farbfernsehempfänger vorhandenen Konvergenzkreise nicht mehr befriedigend funktionieren.

Zur Stabilisierung der Hochspannung V_n wurde bereits vorgeschlagen, parallel zur Bildwiedergaberöhre 9 eine Ballaströhre 13 zu schalten und diese derart zu steuern, daß bei Zunahme des Elektronenstrahlstromes der Strom durch die Ballaströhre abnimmt und umgekehrt, so daß die Summe der beiden Ströme unter allen Umständen nahezu gleichbleibt. Folglich bleibt auch der Spannungsabfall am inneren Widerstand gleich ungeachtet der Änderungen des Elektronenstrahlstromes.

Die Steuerung der Ballaströhre 13 kann z. B. durch das Anbringen eines aus einem Widerstand 14 und einem Kondensator 15 bestehenden Netzwerkes zwischen der Primärwicklung 4 und der Sekundärwicklung 5 erfolgen. Dabei fließt durch den Widerstand 14 der Gleichstrom I_n des Hochspannungskreises, so daß der Spannungsabfall am Widerstand 14 ein Maß für den erwähnten Gleich- oder Belastungsstrom I_n ist. Der Kondensator 15 dient zur Weitergabe der Impulse an die Sekundärwicklung 5.

Die Kathode der Ballaströhre 13 ist mit der unteren Seite des Kondensators 7 und ihr Steuergitter ist einerseits über den Glättungswiderstand 16 mit dem Verbindungspunkt des Widerstandes 14 und der Wicklung 5 und andererseits über den Glättungskondensator 17 mit der Kathode verbunden.

Wie oben bemerkt, entsteht am Kondensator 7 eine positive Gleichspannung, und der Widerstand 14 muß daher derart bemessen werden, daß dessen Spannungsabfall größer ist als der Spannungsabfall am Kondensator 1, so daß das Steuergitter unter allen Verhältnissen negativ gegenüber der Kathode ist.

In Fig. 1 ist weiterhin der Stabilisierungskreis 18 angegeben, der von der Anzapfung 19 der Primärwicklung 4 aus gesteuert wird und mittels dessen eine negative Regelspannung entwickelt wird, die über den Widerstand 20 dem Steuergitter der Zeilenausgangsröhre 1 zugeführt wird. Der Stabilisierungskreis 18 dient zum Stabilisieren des sägezahnförmigen Stromes durch die Ablenkspule 8 und der Spannung am Kondensator 7, und zwar im wesentlichen bei Änderung der Speisespannung F₆, beim Altern der Röhren 1 und 6 und bei Temperaturänderungen. Würde sich die Belastung des Hochspannungskreises nicht ändern, so würde dadurch auch V_n konstant bleiben. Letzteres ist erreicht durch das Anbringen der Ballaströhre 13.

Wäre die Ballaströhre 13 ohne weiteres zwischen die Kathode der Gleichrichterdiode 10 und die positive Klemme der Speisespannungsquelle geschaltet, so würde nahezu die ganze Hochspannung an der Ballaströhre 13 Hegen, denn V₁, ist viele Maße kleiner als V_h, so daß V_b gegenüber V_n vernachlässigbar ist. Wenn z. B. V_n = 25 kV ist, so würde an der Ballaströhre eine Spannung von 25 kV liegen und diese Röhre müßte für eine diesen Wert überschreitende Durchschlagspannung berechnet sein. Dies ist eine sehr schwere Anforderung, und außerdem muß

ίο diese Anforderung gelten ungeachtet des durch die Ballaströhre 13 fließenden Stromes.

Weiterhin muß die Verlustleistung der Ballaströhre 13 gleich der vom Hochspannungskreis gelieferten Leistung sein, wenn der Elektronenstrahlstrom durch die Wiedergaberöhre 9 unterdrückt ist (schwarzes Bild). Wird angenommen, daß der dann durch die Ballaströhre 13 fließende Strom etwa 1 mA beträgt, so müßte die Verlustleistung der Röhre 13 etwa 25 W betragen. Auch diese Anforderung ist hoch.

Das eine und das andere bedeutet, daß eine sehr große, schwer herzustellende Röhre notwendig sein würde. Außerdem weicht diese Röhre wegen ihres großen Kolbens von den normalerweise verwendeten Röhrentypen ab, so daß dieser Kolben entweder von Hand oder auf einer besonderen Maschine hergestellt werden müßte. Naturgemäß weichen auch die Elektroden von denen der normalerweise verwendeten Röhren ab, so daß es einleuchtend ist, daß die Herstellung einer solchen Ballaströhre äußerst kostspielig sein würde.

Eine erste Verbesserung kann dadurch erreicht werden, daß in Reihe mit der Ballaströhre 13 eine Reihenimpedanz eingeschaltet wird. Das Konstanthalten des Ballaststromes als solcher wird dadurch nicht beeinflußt, denn durch die Steuerung der Ballaströhre 13 wird dafür gesorgt, daß der vom Hochspannungskreis gelieferte Gleichstrom nahezu gleichbleibt, ungeachtet der Größe des Elektronenstrahlstromes durch die Wiedergaberöhre 9.

Wählt man z. B. für die Reihenimpedanz einen ohmschen Widerstand R von 22 MOhm, so folgt aus nachstehender Tabelle I, daß die maximale Verlustleistung der Ballaströhre 13 nicht mehr 25 W, sondern 7,1 W betragen muß. Diese maximale Verlustleistung tritt bei einem Strom von etwa 0,56 mA auf.

Tabelle I
Mit Reihenwiderstand R von 22 MOhm

* Baltast	3,OkV	*^VR*	W ⁿRöhre
1,0OmA	12,5 kV	22,0 kV	3,OW
0,56 mA	14,0 kV	12,5 kV	7,1 W
■-, 0,5OmA	19,5 kV	11,0 kV	7,OW
0,25 mA	22,8 kV	5,5 kV	4,9 W
0,10 mA	25,OkV	2,2 kV	2,3 W
0,00 mA	0,00 kV	0,0W

Eine wesentliche Verbesserung kann erreicht werden, wenn nicht ein normaler, konstanter Widerstand in Reihe mit der Ballaströhre 13 eingeschaltet wird, sondern nach der Erfindung ein spannungsabhängiger Widerstand. Dieser hat vorzugsweise die Eigenschaft, daß die an ihm abfallende Spannung sich nur wenig ändert, wenn sich der hindurchfließende Strom in starkem Maße ändert. Dadurch wird erreicht, daß an der Ballaströhre im ganzen Regelbereich oder jeden-

falls in einem großen Teil davon nur eine verhältnismäßig niedrige Spannung auftritt. Solche spannungsabhängigen Widerstände, die z. B. aus Siliciumcarbid hergestellt sind, sind unter dem Namen »VDR-Widerstände« im Handel erhältlich. Deshalb ist, wie in Fig. 1 dargestellt, ein spannungsabhängiger Widerstand 21 in Reihe mit der Ballaströhre 13 geschaltet.

Tabelle II

Mit VDR in Reihe geschaltet -*■ V_Vdr = ^Clßß_aiiast
wobei C = 82 ■ ΙΟ³ λ'¹ und β = 0,19

daß die Konstanten C und β durch

C = 82· ΙΟ«· A-¹UUdZi = O₅IQ
gegeben sind.

Durch die Vergrößerung von C kann die benötigte maximale Verlustleistung der Röhre 13, welche mit Hilfe der Formel

¹VI)R ¹BaIIaSt	3,OkV 4,OkV 6,5 kV 7,7 kV 10,0 kV 25,0 kV	^VVDR	^WRöhre
1,00 mA 0,96 mA 0,50 mA 0,25 mA 0,10 mA 0,00 mA	22,0 kV 21,0 kV 19,5 kV 17,3 kV 15,0 kV 00,0 kV	3,0OW 3,84 W 3,25 W 1,9OW l,00W 0,00W

Aus der Tabelle II ergibt sich nämlich, daß die benötigte maximale Verlustleistung der Ballaströhre 13, welche jetzt bei einem Strom von etwa 0,96 mA auftritt, auf 3,84 W herabgesetzt ist, was wieder viel weniger ist als die 7,1 W, für welche die Ballaströhre bei Verwendung eines linearen oder ohmschen Widerstandes geeignet sein muß.

Nach der Erfindung kann eine weitere Verbesserung erreicht werden, wenn der Strom durch die Ballaströhre bei einem maximalen Bündelstrom nicht auf einen Wert 0, sondern auf einen Mindestwert von I₀ rückgeregelt wird. Wenn angenommen wird, daß I₀ = 0,1 mA, so folgt aus der Tabelle I, daß die an der Ballaströhre 13 auftretende Höchstspannung etwa 22,8 kV beträgt, falls ein ohmscher Widerstand von 22 MOhm verwendet wird, und aus der Tabelle II, daß diese Höchstspannung auf 10 kV abfällt, wenn ein spannungsabhängiger Widerstand 21 verwendet wird.

Aus dem vorhergehenden ergibt sich, daß durch die Anwendung beider Maßnahmen, d. h.:

1. die Reihenschaltung eines spannungsabhängigen Widerstandes 21,

2. das Verhüten, daß der Strom durch die Ballaströhre 13 einen Wert von I₀ unterschreitet,

die erforderliche Verlustleistung von 25 W auf etwa 3,84 W herabgesetzt und die Durchschlagspannungsanforderung von 25 kV auf 10 kV ermäßigt wird.

Dadurch ist es möglich, die Abmessungen der Ballaströhre 13 beträchtlich zu verkleinern, so daß diese Röhre die normalen, für Fernsehempfängerröhren üblichen Abmessungen erhält und daher nahezu völlig mit den bestehenden Maschinen hergestellt werden kann.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, in dem für die Ballaströhre 13 eine Triode gewählt ist, wurde der Spannungsabfall am spannungsabhängigen Widerstand 21 als 22 kV angenommen bei einem Strom von 1 mA durch die Ballaströhre 13.

Dies ist dadurch erreicht, daß der spannungsabhängige Widerstand 21, dessen Eigenschaften mit Hilfe der Formel

V = C-I-β (1)

beschrieben werden können, derart bemessen wird, lire max —

β+ι

'JL V

C (β+I))

berechnet werden kann, herabgesetzt werden.

Die Spannung an der Ballaströhre 13 ist gegeben ¹S durch

Viam=V_h-C-I-ß. (3)

Wird / kleiner, so folgt aus der Formel (3), daß die Spannung an der Röhre zunimmt. Bei dem zulässigen Mindeststrom I₀ tritt daher an der Röhre 13 die Höchstspannung auf, so daß es einleuchtend ist. daß diese Höchstspannung durch Vergrößerung der Konstante C herabgesetzt werden kann.

Durch Vergrößerung von C können daher sowohl die maximale Verlustleistung als auch die Durchschlagspannung, für welche die Ballaströhre berechnet sein muß, herabgesetzt werden. Dabei ist aber gleichzeitig die Anodenspannung kleiner beim Auftreten des Höchststromes. Eine weitere Vergrößerung der Konstante C kann daher einen Zustand eintreten lassen, bei dem infolge der Wirkung der Anodenspannung auf den Anodenstrom (Durchgriff) der maximale Anodenstrom nicht mehr fließen kann, es sei denn, daß die negative Gitterspannung beträchtlich herabgesetzt wird, so daß die Gefahr eines ungewünschten Gitterstromes entsteht.

Das eine und das andere kann dadurch vermieden werden, daß nicht eine Triode, sondern eine Schirmgitterröhre als Ballaströhre benutzt wird, wodurch die Stromsteuerung, trotz des hohen Wertes des spannungsabhängigen Widerstandes 21, ausschließlich durch die Spannung am Steuergitter bedingt wird, denn der Anodenstrom einer solchen Schirmgitterröhre ist bekanntlich viel weniger von der Anodenspannung abhängig als bei einer Triode. (Als Schirmgitterröhre kann z. B. eine Tetrode oder eine Pentode verwendet werden.) Das Schirmgitter kann, wenn die Kathode der Ballaströhre 13 mit der unteren Seite des Kondensators 7 verbunden ist, vom Verbindungspunkt der Primärwicklung 4 und des Kondensators 7 aus gespeist werden. Auch könnte die Kathode der Ballaströhre an Erde gelegt und das Schirmgitter mit der normalen Speisespannung von V_b gespeist werden.

Es ist weiterhin einleuchtend, daß, wenn der Strom durch die Ballaströhre I₀ nicht unterschreiten soll, auch der durch diese Röhre fließende Höchststrom etwas gesteigert werden muß gegenüber dem Falle, daß die Ballaströhre 13 völlig gesperrt wird, wenn der Bündelstrom durch die Wiedergaberöhre 9 maximal ist.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel bedeutet dies, daß I_max von 1 mA auf 1,1 mA gesteigert werden muß, wenn I₀ = 0,1 mA sein soll. Daraus folgt, daß,

wenn der Bündelstrom durch die Wiedergaberöhre 1 mA beträgt, der Strom durch die Ballaströhre 13 den Wert I₀ = 0,1 mA annimmt und daß, wenn der Bündelstrom gesperrt ist, der Strom durch die Ballast-

röhre 13 etwa 1,1 mA beträgt. Es wird daher dafür gesorgt, daß die Summe der beiden Ströme unter allen Verhältnissen nahezu 1,1 mA beträgt, so daß der Spannungsabfall am inneren Widerstand des Hochspannungskreises stets gleichbleibt, so daß der Wert der erzeugten Hochspannung V_n sich trotz Änderungen des Bündelstromes nahezu nicht ändert.

Die Maßnahme, den Strom durch die Ballaströhre 13 nicht bis unter den Wert/₀ abfallen zu lassen, kann darin bestehen, daß der Widerstand 14 derart bemessen wird, daß auch beim maximalen Bündelstrom durch die Wiedergaberöhre 9 die Spannung am Steuergitter der Ballaströhre 13 niemals die Sperrspannung unterschreitet.

Es ist aber vorzuziehen, die Ballaströhre 13 selbst derart aufzubauen, daß ungeachtet des Maßes der Zunahme der negativen Gitterspannung V_g am Steuergitter dieser Röhre der Anodenstrom I_a einen Wert /₀ nicht unterschreiten kann. Dies ist z. B. in Fig. 2 dargestellt, in der eine mögliche I₀ — F_g-Kennlinie der Ballaströhre 13 dargestellt ist. Wie aus dieser Figur ersichtlich, wird die Steilheit der Kennlinie nahezu gleich Null, wenn die Steuergitterspannung den Wert — V_g0 erreicht, und dabei fließt ununterbrochen ein Anodenstrom von /₀ A.

Eine solche Kennlinie kann z. B. dadurch erreicht werden, daß das Steuergitter mit einer oder mehreren Öffnungen versehen wird. Dazu können eine oder mehrere Wicklungen während des Aufwickeins des Gitterdrahtes übersprungen werden, so daß man gleichsam parallel zur eigentlichen Ballaströhre eine Diode schaltet, die kontinuierlich einen Strom I₀ führt. Das gleiche Ergebnis kann z. B. auch dadurch erreicht werden, daß parallel zur Ballaströhre 13 ein fester Widerstand geschaltet wird. Ist die Ballaströhre völlig gesperrt, so fließt durch diesen Widerstand der Strom /₀.

Für das gegebene Ausführungsbeispiel ist das Steuergitter derart aufgewickelt, daß die in Fig. 2 angegebene Gitterspannung

40

= -3 V

beträgt. Dies hat den Vorteil, daß I₀ durch die Röhre selbst bedingt wird, so daß bei richtiger Wahl des zugehörigen spannungsabhängigen Widerstandes 21 die Anforderung für die höchstzulässige Durchschlagspannung erfüllt ist. Sonst würde auch die Wahl des Widerstandes 14 eine Rolle spielen.

Schließlich wird bemerkt, daß der Stabilisierungskreis 18 nicht durchaus erforderlich ist. Wenn nur die Bündelstromänderungen berücksichtigt werden sollen, so genügt eine Regelung mittels der Ballaströhre 13.

Außerdem braucht die Schaltungsanordnung nicht auf Anwendung in Fernsehempfängern beschränkt zu sein. In allen solchen Fällen, in denen eine Spannung erzeugt wird, die mit Hilfe einer Ballaströhre stabilisiert wird, können die Maßnahmen nach der Erfindung angewendet werden. Solche Schaltungsanordnungen können nämlich auch Anwendung finden zum Stabilisieren der Höchstspannung in Röntgenapparaturen und Radaranlagen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaltungsanordnung zum Stabilisieren einer Spannung mit Hilfe einer zwischen den Ausgangsklemmen der Schaltungsanordnung geschalteten Ballaströhre, die in entgegengesetztem Sinne zu und in Abhängigkeit von den Änderungen der an den Ausgangsklemmen angeschlossenen Belastung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Anode der Ballaströhre ein spannungsabhängiger Widerstand liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ballaströhre als Schirmgitterröhre ausgebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2 zum Stabilisieren einer hohen Spannung, z. B. in der Größenordnung von einigen Kilovolt, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Ballaströhre ein einen konstanten Strom I₀ führendes Element geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ballaströhre und das zu ihr parallel liegende stromführende Element zu einem Ganzen vereint sind.

5. Ballaströhre zur Anwendung in einer Schaltungsanordunng nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergitter der Röhre mit wenigstens einer Öffnung versehen ist, so daß, wenn die Spannung zwischen dem Steuergitter und der Kathode stärker negativ wird als 3 V, die Steilheit der Anodenstrom-Gitterspannungs-Kennlinie gleich Null wird und dabei ununterbrochen ein Anodenstrom von etwa 0,1 mA fließt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen