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Impulsformer-Schaltung für hohe Impulsfrequenzen Die Erfindung bezieht
sich auf Impulsformer-Schaltungen und insbesondere auf Schaltungen, welche eine
hohe Wiederholungsgeschwindigkeit bei der Impulsformung ermöglichen.
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Zahlreiche vorbekannte Impulsformer-Schaltungen machen Gebrauch von
einer in dem differenzierenden Netzwerk liegenden Energiespeichervorrichtung und
einem Schaltelement, welches das - differenzierende Netzwerk überbrückt und einen
mit Unterbrechungen verfügbaren Entladungsweg für die gespeicherte Energie bildet,
um über einer Belastungsvorrichtung Impulse zu formen. Mit dem Auftreten der Erfordernisse
mit hoher Geschwindigkeit arbeitender Kreise hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
als Schaltelement eines Impulsformers einen Transistor zu verwenden, welcher sich
durch ein rasches Arbeiten auszeichnet. Solche Transistoren haben sich in Impulsformerschaltungen
so bewährt, daß die Arbeitsgeschwindigkeit des Schaltelementes nicht mehr der begrenzende
Faktor hinsichtlich der Impulsformer-Wiederholungsgeschwindigkeit ist. Statt dessen
hat sich die Zeit als begrenzender Faktor erwiesen, welche erforderlich ist, um
das differenzierende Netzwerk bis auf den gewünschten Pegel aufzuladen.
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Die Impulsformer-Schaltung nach der Erfindung besteht aus einer Energiespeichervorrichtung,
Mitteln zur Aufladung der Energiespeichervorrichtung auf einen vorbestimmten Pegel,
einer der Energiequelle der Aufladungsmittel und der Speichervorrichtung angeschlossenen
Diode mit einem solchen Zenerpunkt, daß die Diode in den Zustand der Nichtleitung
vorgespannt ist, nachdem die Speichervorrichtung auf einen Pegel aufgeladen ist,
der unterhalb des vorbestimmten Pegels liegt, und einer Induktivität, welche zwischen
der Diode und der Energiespeichervorrichtung angeschlossen ist, um die Speichervorrichtung
genügend hoch aufzuladen, um die Einstellung des vorbestimmten Pegels zu vervollständigen,
und aus Schaltungsmitteln, welche die Energiespeichervorrichtung überbrücken, um
mit Unterbrechungen die gespeicherte Energie zu entfernen.
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Die Verringerung der Aufladungszeit ist durch das Erfordernis erschwert,
daß die Schaltvorrichtung von dem Aufladekreis isoliert werden muß, da der hohe
Aufladungsstrom den Transistor beschädigen könnte, welche im allgemeinen hinsichtlich
der Leistungsbelastbarkeit begrenzt ist. Vorzugsweise ist die Induktivität wirksam,
wenn die Diode in den Zustand der Leitung vorgespannt ist, um die Schaltvorrichtung
gegen Spannungsstöße zu schützen. Außerdem erfordern einige Arten von Transistoren
einen geringen Strom, um den Schalter in einem solchen Zustand zu halten, daß er
rasch in Tätigkeit gesetzt werden kann. In diesem Fall benötigt die Impulsforinerschaltung
einen Aufladungsweg für hohen Strom, einen Weg für niedrigen Strom und eine kritische
Zeitabstimmung der Elemente, um die Schaltvorrichtung von dem hohen Aufladungsstrom
zu isolieren. Der niedrige Strom kann dadurch verfügbar gemacht werden, daß parallel
zur Diode Widerstandsmittel angeschlossen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält die Impulsformer-Schaltung
einen Transistor, um einen Entladungsweg geringer Impedanz für ein differenzierendes
Netzwerk verfügbar zu machen, welches einen Kondensator enthält. Die Impulsformerschaltung
besitzt einen rasch arbeitenden Wiederaufladungsweg mit einer Spannungsquelle und
einer Durchbruchdiode, um den Kondensator auf einen Pegel unterhalb des vorbestimmten
Betrages aufzuladen, indem ein hoher in Sperrichtung verlaufender Strom durch die
Diode geführt wird, welcher durch Einstellung eines zwischen der Spannungsquelle
und der Diode liegenden Widerstands auf den gewünschten Betrag eingestellt ist.
Zwischen der Diode und dem Kondensator ist eine Induktivität angeschlossen,
so
daß in dem Augenblick, wo die Diode in ihrem Zustand geringer Stromleitung zurückkehrt,
die Reiheninduktivität die rasche Aufladung des Kondensators bis zu dem vorbestimmten
Pegel vervollständigen kann.
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Diese Aufladung des Kondensators in zwei Stufen bietet einen besonderen
Vorteil. Wenn die Diode aus ihrem Zustand hoher Stromleitung zurückgebracht wird,
so isoliert eire hoher Widerstand, der parallel zur Diode angeschlossen ist, in
wesentlichem Ausmaß das Transistor-Schaltelement von der Spannungsquelle, während
das Abklingen des die Induktivität umgebenden Feldes die Vervollständigung der Rufladung
des Kondensators auf den vorbestimmten Pegel gewährleistet. Die letztgenannte Aufladungsstufe
dient somit dazu, die Dauer jeglichen hohen Rufladestromes in der Schaltung zu begrenzen,
welcher die richtige Lawinenwirkung des Transistors beeinträchtigen oder möglicherweise
die Transistorübergänge zerstören würde. Der hohe Widerstand stellt außerdem einen
geringen Strom ein, welcher den Transistor durchfließt; bei Vorhandensein des vorbestimmten
Spannungspegels in Verbindung mit dem Anlegen eines Auslöseimpulses richtiger Polarität
wird die Impedanz des Transistors rasch geändert; so daß ein durch den Belastungskreis
verlaufender Entladungsweg verfügbar wird.
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Bei dieser Ausführungsform der Erfindung liegen somit eine Zenerdiode,
eine Induktivität und ein Kondensator in Reihe. Der Kondensator lädt sich auf, bis
die Diode in Sperrichtung vorgespannt ist; in diesem Zeitpunkt fließt nur ein geringer
Strom zum Transistor. Gleichzeitig ermöglicht es die Zustandsänderung der Diode,
daß das die Induktivität umgebende Feld zusammenbricht und die Rufladung des Kondensators
bis auf den vorbestimmten Pegel vervollständigt. Ein. das Netzwerk überbrückender
Transistor bildet den Entladungskreis für das Netzwerk.
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Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung soll nachstehend
an Hand der Zeichnung eine weitere Erläuterung gegeben werden; in der Zeichnung
zeigt Fig. 1 das Schema einer Impulsformer-Schaltung nach einer Ausführungsmöglichkeit
der Erfindung, Fig. 2 eine Schwingungsform, welche einen speziellen Arbeitsvorgang
des Impulsformers nach Fig. 1 veranschaulicht, Fig.3 das Schema einer vorbekannten
Impulsformer-Schaltung, Fig.4 eine Schwingungsform, welche einen Abschnitt des Arbeitsvorgangs
der vorbekannten Schaltung nach Fig. 3 veranschaulicht.
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Die in Fig.1 gezeigte Impulsformer-Schaltung enthält ein differenzierendes
Netzwerk mit einem Kondensator 11 und einem Belastungswiderstand
12 in Reihe mit dem einen Endpunkt des Widerstands an Masse. Der Transistor
10 ist parallel zu dem differenzierenden Netzwerk geschaltet; seine Emitterelektrode
9 liegt an Erde, und seine Kollektorelektrode 7 ist mit dem Kondensator 11 verbunden.
Diese Anordnung dient dazu, einen Entladungsweg für den Kondensator 11 verfügbar
zu machen, wenn sich der Transistor 10 in seinem Zustand hoher Stromleitung
befindet. Zwischen der Spannungsquelle 20 und dem Verbindungspunkt 15, über welchen
der Kondensator 11 an die Kollektorelektrode 7 angeschlossen ist, liegen eine Induktivität
18, eine- Zenerdiode 19 und ein parallel zu der Diode 19 angeschlossener
Widerstand 17 sowie ein Regelwiderstand 21. Der an die Basiselektrode 8 des Transistors
10 angeschlossene Eingangskreis besteht aus einer negativen Spannungsquelle 2, einer
negativen Spannungsquelle 5 mit tiefer liegendem Potential, einer Diode 3 und einem
Widerstand 4. Die Diode 3 und der Widerstand 4 bilden eine zwischen den beiden Spannungsquellen
liegende Reihenanordnung. Durch die leitende Diode 3 besteht an der Basiselektrode
8 des Transistors 10 ein niedriges negatives Potential, um vor Anlegen von Auslöseimpulsen
1 an die Eingangsklemme einen Vorspannungszustand in Sperrichtung zwischen der Basiselektrode
8 und der Emitterelektrode 9 zu verwirklichen.
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Der in Fig. 1 dargestellte Transistor 10 ist vorzugsweise ein Lawinen-Transistor,
wie er beispielsweise von J. J. E b e r s und S. L. M i I l e r in »Alloyed Junction
Avalanche Transistors«, Bd. 34, Bell System Technical Journal, September 1959, S.
883, beschrieben worden ist. Ein Lawinen-Transistor kann sich in einem von zwei
stabilen Zuständen befinden, wenn eine zwischen Kollektorelektrode und Basiselektrode
angelegte Spannung einen vorbestimmten Durchschlagswert überschreitet, um einen
geringen Stromfluß zuzulassen. .Wenn ein solcher Zustand hergestellt ist, so bewirkt
ein Auslösestrom richtiger Polarität, welcher in den Basis-Emitter-Kreis eingeführt
wird, eine Vorspannung des Basis-Emitter-Übergangs in Vorwärtsrichtung; dadurch
wird ein sogenannter Lawinen-Zustand geschaffen, welcher bewirkt, daß in dem Kollektor-Emitter-Kreis
ein hoher Strom fließt. Dieser hohe Kollektor-Emitter-Strom bleibt so lange bestehen,
bis ein Strom, dessen Polarität derjenigen des Auslösestroms entgegengesetzt ist,
in den Basis-Emitter-Kreis eingeführt wird.
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Mit Bezug auf Fig. 1 wird somit ein geringer Kollektor-Basis-Strom
durch den Transistor 10 fließen, wenn der oben erwähnte vorbestimmte Durchschlagsspannungspegel
eingestellt ist, und zwar die Potentialdifferenz zwischen einer negativen Vorspannung
an der Basiselektrode 8 und der Spannung über dem Kondensator 11. Wenn ein solcher
Zustand besteht und an der Eingangsklemme ein Auslöseimpuls 1 von positiver Polarität
und ausreichender Größe angelegt wird, so wird der Basis-Emitter-Übergang in Vorwärtsrichtung
vorgespannt, und die erwähnte Lawinenwirkung findet statt. Durch diese Lawinenwirkung
des Transistors 10 wird für den Kondensator 11 ein Entladungsweg geringer Impedanz
zur Erde verfügbar gemacht; die Entladung erzeugt einen scharfen Impuls 22 hohen
Stromes durch den Belastungswiderstand 12.
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Durch die Beendigung des Eingangs-Auslöseimpulses 1 wird beim Fehlen
einer Spannung über dem Kollektor-Emitter-Übergang der Transistor 10 veranlaßt,
in seinen Zustand hoher Impedanz zurückzukehren, wodurch ein Reihenladekreis zwischen
Erde und Spannungsquelle 20 geschaffen wird, welcher den Belastungswiderstand 12,
den Kondensator 11, die Induktivität 18 und die aus Widerstand 17 und Zenerdiode
19 bestehende Parallelanordnung sowie den Widerstand 21 umfaßt.
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Die Anode der Zenerdiode 19 liegt an der Induktivität 18 und ihre
Kathode über dem Widerstand 21 an der Spannungsquelle 20: Zenerdioden, welche beispielsweise
in der USA.-Patentschrift 2 714 702 beschrieben sind, stellen Halbleiter-Übergangsvorrichtungen
dar mit der Eigenart, daß oberhalb einer angelegten kritischen Sperrspannung der
Strom im wesentlichen unabhängig von der Spannung ist. Unterhalb
dieses
kritischen Punktes bzw. unterhalb dieser Zener-Sperrspannung hat die Diode eine
sehr hohe Impedanz.
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Wenn der Kondensator 11 nicht aufgeladen ist, so liegt die sich über
der Zenerdiode 19 einstellende Spannung oberhalb dieser kritischen Sperrspannung;
infolgedessen bildet die Zenerdiode eine niedrige Impedanz. Dieser Zustand bewirkt
das Fließen eines hohen Stromes in dem Kreis, der die Spannungsquelle 20 und die
Induktivität umfaßt, um den Kondensator aufzuladen. Dieser Strom wird mittels des
veränderlichen Widerstandes 21 eingestellt. Die Aufladung des Kondensators 11 bleibt
bestehen, bis das an dem Verbindungspunkt 15 sich einstellende Potential genügend
hoch ist, um die erwähnte kritische Vorspannung in Sperrichtung über den Klemmen
der Zenerdiode 19 zu entfernen. Die Zenerdiode 19 nimmt dann wieder einen Zustand
hoher Impedanz an und trennt auf diese Weise in wesentlichem Ausmaß die Spannungsquelle
20 von dem Kondensator 11 und schützt den Transistor 10 gegen die Aufnahme
eines übermäßig hohen und langdauernden Gleichstromes von der Spannungsquelle. Die
große Menge von Ladestrom hat jedoch ein hohes magnetisches Feld in der Induktivität
aufgebaut, und die plötzliche Unterbrechung des starken Stromflusses durch die in
dem Zustand hoher Impedanz befindliche Zenerdiode 19 bewirkt ein Zusammenfallen
dieses Feldes, wodurch ein Strom erzeugt wird, der groß genug ist, um die Aufladung
des Kondensators 11 auf den vorbestimmten Pegel oder auf die Durchschlagsspannung
des Kollektor-Basis-übergangs des Transistors 10 zu vervollständigen.
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Diese Betriebsweise ermöglicht es außerdem, daß ein schwacher Strom
von der Spannungsquelle 20 durch den Widerstand 17, den Kollektor-Basis-übergang
des Transistors 10, den Widerstand 4 und die Spannungsquelle 5 fließt. Der hohe
parallel zur Zenerdiode 19 angeschlossene Widerstand 17 bildet auf diese Weise einen
Weg, welcher den Kollektor-Basis-Strom auf die geeignete Größe einstellt, damit
eine rasche Lawinenwirkung stattfindet; dieser Strom hält gleichzeitig den Transistor
10 in einem stabilen Zustand hoher Impedanz, um den gewünschten Spannungspegel über
dem Kondensator 11 aufrechtzuerhalten. Nach Einführung des Auslöseimpulses 1 wird
der Lawinen-Transistor 10 leitend und bildet für den Impulsformungs-Kondensator
11 einen zur Erde führenden Entladungsweg. In diesem Augenblick liegt die über der
Diode 19 eingestellte Spannung oberhalb des Zenerpunktes; wenn jetzt die Diode leitend
würde, so würde eine große Strommenge durch den Transistor 10 zur Erde fließen;
dieser Strom könnte bei seiner Aufrechterhaltung den Lawinen-Transistor
10 zerstören. Dieser Zustand besteht indessen niemals, da sich die Induktivität
18 jeder plötzlichen Änderung des Stromflusses widersetzt; dadurch wird eine vorübergehende
Isolierung des Transistors 10 gegen den hohen in Sperrichtung fließenden Strom durch
die Zenerdiode 19 isoliert. Während dieser kurzen Isolierungsperiode wird der Eingangsimpuls
1 beendet, wodurch die Vorspannung der Diode 3 in Vorwärtsrichtung veranlaßt wird.
Das hat wiederum einen genügend hohen Stromfluß durch die Basiselektrode 8 und die
Emitterelektrode 9 des Transistors 10 zur Folge, um den Zustand der Leitung in dem
Kollektor-Emitter-Weg zu unterbrechen und auf diese Weise den Transistor 10 erneut
in den Zustand hoher Impedanz überzuführen. Der erläuterte Arbeitszyklus kann dann
wiederholt werden.
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Wenn die Zenerdiode 19 und die Induktivität 18 bei der Schaltung nach
Fig. 1 weggelassen werden, so würde ein Impulsformer bestehenbleiben, der im wesentlichen
einem vorbekannten Typ entspricht. Wenn der Speicher-Netzwerk-Kondensator auf einen
vorbestimmten Pegel aufgeladen ist, so ist man bei einer solchen Schaltung auf einen
hohen Widerstand in dem Kollektorkreis angewiesen, um den Kollektor-Basis-Stromfluß
zur Vorbereitung des Transistors für die Lawinen-Leitung zu begrenzen, wobei gleichzeitig
der Transistor gegen hohen Gleichstrom geschützt wird. Nach Erzeugung eines Ausgangsimpulses
durch die Entladung des Speicherkondensators durch den Belastungswiderstand beginnt
der den Belastungswiderstand und den sehr großen Kollektorwiderstand umfassende
Kreis, den Kondensator erneut aufzuladen. Dieser Kreis hat eine große Zeitkonstante,
damit der Kondensator den vorbestimmten Spannungspegel erreicht, der erforderlich
ist, um den Lawinen-Transistor in den Zustand für einen weiteren Eingangsimpuls
zu bringen; auf diese Weise wird die Impulswiederholungsgeschwindigkeit begrenzt.
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Fig. 3 veranschaulicht die vorbekannte Schaltung, wobei der Strombegrenzungswiderstand
unmittelbar zwischen die Spannungsquelle und dem Lawinen-Transistor geschaltet ist
und wobei die Diode und die Induktivität in Fortfall kommen. Die den Intervall To
bis T1 veranschaulichte Anstiegzeit der Kollektorspannung ist für diese Schaltung
in Fig. 4 veranschaulicht. In diesem Fall hat die Anstiegzeit zwischen der Spannung
0 und V, d. h. der vorbestimmten Kondensatorspannung, die Größenordnung von 800
Mikrosekunden. Es ist dies ein Annäherungswert für solche vorbekannten Schaltungen.
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Diese Begrenzung der Impulswiederholungsgeschwindigkeit erfährt eine
weitgehende Herabsetzung durch die Anordnung der Induktivität 18 und der Zenerdiode
19, welche gemäß Fig. 1 eine zwischen dem Impulsformungs-Kondensator 11 und der
Spannungsquelle 20 liegende Reihenanordnung bilden. Fig. 2, welche die Kollektor-Spannungs-Schwingungsform
des Transistors 10 veranschaulicht, gibt die Aufladungsfolge für den Impulsgenerator
nach Fig. 1 an. Im Zeitpunkt To befindet sich der Kondensator 11 auf dem vorbestimmten
Spannungspegel, der für die Lawinenwirkung erforderlich ist, wie bereits eingehend
beschrieben wurde. Beim Auftreten des Eingangsimpulses 1 wird der Transistor 10
in den Zustand niedriger Impedanz zurückgebracht. Der Kondensator 11 entlädt sich
durch den Belastungswiderstand 12, und die Spannung an dem Kollektoranschlußpunkt
15 fällt rasch auf einen niedrigen Pegel ab. Danach lädt sich der Kondensator 11
rasch in Annäherung an das Potential der Quelle 20 auf, wobei der Transistor 10
sich in dem Zustand hoher Impedanz befindet und die Zenerdiode 19 stark leitet.
Wie Fig. 2 zeigt, liegt im Zeitpunkt T1 die Potentialdifferenz über der Zenerdiode
19 nicht mehr innerhalb des Zenerbereichs; demgemäß kehrt die Diode 19 in den Zustand
hoher Impedanz zurück, wodurch der Ladestromweg unterbrochen wird. Das Zusammenfallen
des gebildeten Induktionsfeldes um die Induktivität 18 macht den Strom verfügbar,
der während des Zeitintervalls T1 bis T.2 erforderlich ist, um die vorbestimmte
Spannung V, über dem Kondensator 11 einzustellen.
Die gesamte Aufladezeit
für den Kondensator 11, die durch das Zeitintervall To bis T2 veranschaulicht ist,
beträgt angenähert 1l2 Mikrosekunde gegenüber den etwa 800 Mikrosekunden des Zeitintervalls
To bis. T1, welches in Fig. 4 gezeigt ist und der Arbeitsweise des vorbekannten
Impulsgenerators entspricht.