DE1155809B - Elektrische Schaltung zur Formung flankensteiler Impulse - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 21 a¹ 36/04

INTERNAT. KL. H 03 k

S 78216

ANMELDKTAG: 26. FEBRUAR 1962

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUS GABE DER

AUSLEGESCHRiFT: 17. OKTOBER 1963

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungen zur Impulsformung, in denen Thyratronröhren zum Erzeugen rechteckiger Impulse verwendet sind.

Thyratronröhren haben sich als nützlich erwiesen in Impulsformungsschaltungen, und zwar wegen ihrer hohen Strombelastbarkeit und der hohen Schaltgeschwindigkeiten. In gewissen Arten von elektronischen Aufnahmekameras, die zum Aufzeichnen von mit hoher Geschwindigkeit ablaufenden vorübergehenden Erscheinungen dienen, z. B. von Plasmastoßwellen, werden Thyratronschaltungen verwendet, um hochgespannte Rechtecksperrimpulse zu erzeugen mit extrem geringen Anstiegs- und Abfallzeiten in der Größe von Nanosekunden (lNanosekunde=10~⁹ Sekunden). Die bekannten Versuche, die Anstiegszeit dadurch zu verringern, daß man die Ionisationszeit der Röhren verringert, sind an einem Punkt angekommen, bei dem die Spannungs- und Stromgrenzen der verfügbaren Röhren ausgeschöpft sind. Andere Lösungsversuche des Problems hatten das Ergebnis, daß sich mit der Verringerung der Anstiegszeit die Abfallzeit erhöhte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu schaffen, bei der sowohl die Anstiegswie die Abfallzeit der rechteckigen Impulse verringert ist. Es sollen sich Rechteckspannungen erzeugen lassen mit einer Spannungshöhe von mehreren hundert Volt und Anstiegs- und Abfallzeiten von weniger als 3 Nanosekunden.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im wesentlichen darin zu sehen, daß bei der Impulsformschaltung eine Thyratronröhre zum Steuern der Entladung des Stromes von zwei Energiespeichervorrichtungen verwendet ist. Das Thyratron hat dabei eine Kathode, ein Steuergitter, eine Primäranode und eine Sekundäranode. Eine der Energiespeichervorrichtungen umfaßt einen Kondensator, der mit der Sekundäranode des Thyratrons verbunden ist, während die andere Energiespeichervorrichtung eine Verzögerungsleistung umfaßt, die an die Primäranode angeschaltet ist. Der Entladungsstrom dieser beiden Vorrichtungen fließt durch einen Ausgangsbelastungswiderstand, der in der Kathodenleitung liegt.

Im Ruhezustand der Schaltung hält eine negative Vorspannung am Steuergitter das Thyratron im nichtleitenden Zustand, so daß die Verzögerungsleitung auf einen mäßig hohen positiven Spannungswert relativ zur Kathode aufgeladen und der Kondensator auf ein positives Potential in bezug auf die Primäranode und auf die Kathode aufgeladen wird.

Um den Rechteckimpuls beginnen zu lassen, wird das Thyratron in den leitenden Zustand übergeführt, Elektrische Schaltung zur Formung flankensteiler Impulse

Anmelder:

Space Technology Laboratories, Inc., Los Angeles, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. Dr. jur. J. O. Roeder, Patentanwalt, Wiesbaden, Schlichterstr. 18

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 20. April 1961 (Nr. 104464)

George Leslie Clark und John Joseph Hickey,

Hawthorne, CaUf. (V. St. Α.), sind als Erfinder genannt worden

in dem ein positiver Auslöseimpuls an das Steuergitter gelegt wird. Der Kondensator entlädt sich schnell über die Röhre und erzeugt einen schnell ansteigenden Ausgangsimpuls. Während die Sekundäranode auf einem höheren positiven Potential bleibt als die Primäranode, fließt ein Teil des Entladungsstromes in den Primäranodenkreis in einem solchen Sinn, daß die Aufladung der Verzögerungsleitung vergrößert wird. Dieser Ladestrom erscheint als kurzer negativer Stromimpuls, der die Verzögerungsleitung entlanglauft.

Kurz nach Beginn des fortlaufenden negativen Stromimpulses fällt das Potential der Sekundäranode unter dasjenige der Primäranode, da der durch die Röhre fließende Strom den Kondensator entlädt. Sobald dies eintritt, entlädt sich die Verzögerungsleitung über die Primäranode und Kathode der Röhre, wodurch die Stromflußrichtung in der Verzögerungsleitung umgekehrt wird und eine positiv laufende Wanderwelle die Verzögerungsleitung entlangläuft. Beide Stromwellen werden mit ungleicher Phase an den Enden der Verzögerungsleitung reflektiert und nunmehr an die Primäranode als kurzer positiver Impuls zurückgeleitet, auf den ein negativer Impuls folgt.

Während der Entladung gibt die Verzögerungsleitung einen konstanten Strom an den Belastungs-

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widerstand ab, der den Hauptbereich des recht- Im folgenden ist die Wirkungsweise der Impulseckigen Ausgangsimpulses bildet. Der Ausgangs- formschaltung beschrieben.

impuls hört auf, wenn beide Wellen die Primäranode Beim Fehlen eines positiven Steuerauslöseimpulses

erreichen, wobei die positive Stromwelle die Primär- der Steuerimpulsspannungsquelle 26 an dem Steueranode etwas vor der negativen Stromwelle erreicht 5 gitter 14 wird die Schaltröhre 10 in den nichüeiten-

und dazu dient, die Hinterkante des Ausgangs- den Zustand vorgespannt. Der Trimmerkondensator

impulses rechteckiger zu formen. 40 wird demgemäß auf die volle Spannung der

Die Erfindung ist an Hand schematischer Zeich- Sekundäranodenspannungsquelle 38 aufgeladen und

nungen an einem Ausführungsbeispiel ergänzend be- die Verzögerungsleitung 34 auf die volle Spannung schrieben. io der Primäranodenspannungsquelle 32.

Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild einer Aus- Wenn ein positiver Auslöseimpuls von der Ausführungsform einer Impulsformschaltung gemäß der löseimpulsspannungsquelle 26 an das Steuergitter 14 Erfindung; gelegt wird, so gelangt die Schaltröhre 10 in den

Fig. 2 ist eine Kurvendarstellung, die gewisse Span- leitenden Zustand, so daß ein Strom von der nungsverteilungen in dem Thyratron zeigt, und 15 Sekundäranode 18 zur Kathode 12 fließt und einen

Fig. 3, 4 und 5 sind Kurvendarstellungen der niederohmigen Entladungsweg für den Trimmer-Wellenformen zur Erklärung der Wirkungsweise der kondensator 40 bildet. Hierbei taucht die Primär-Impulsformschaltung. anode 16 in die positive Säule ein, d. h. in ein Gebiet

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Impuls- der Schaltröhre 10, das sich zwischen der Sekundärformschaltung gemäß der Erfindung. Die Impulsform- 20 anode 18 und einem Bereich A in der Nähe der

schaltung umfaßt eine Thyratron-Schal^röhre 10, und Kathode 12 erstreckt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Für

zwar vorzugsweise eine Tetrode, etwa vom Typ 2 D 21. die weitere Erläuterung ist es nicht nötig, das Steuer-

Die Schaltröhre 10 weist eine Kathode 12, eine Steuer- gitter 14 zu betrachten, daher ist es in Fig. 2 fort-

elektrode 14, eine Primäranode 16, welche von der gelassen.

Steuerelektrode 14 umgeben ist, und eine Sekundär- 25 Im einzelnen zeigt die Kurvendarstellung von

anode 18 auf, die im Abstand von dem Steuergitter Fig. 2 die Spannungsverteilung in dem Raum zwi-

14 angeordnet ist. Wie hierin beschrieben ist, wird sehen der Kathode 12 und der Sekundäranode 18 der

die Schaltröhre 10 in einer nicht üblichen Art ge- Schaltröhre 10, wobei die Kurve B die Spannungs-

schaltet und betrieben. Zum Beispiel hat die Steuer- verteilung darstellt, wenn die Röhre 10 gerade voll elektrode 14, d. h. die Elektrode, die die Röhre 10 30 ionisiert ist. Die Kurve C stellt die Spannungsvertei-

in den leitenden Zustand überführt, gewöhnlich die lung eine kurze Zeit später dar. Man erkennt, daß

Funktion eines Schirmgitters in üblichen Schaltungen, die Spannung kurz nach Erreichen der vollen Ioni-

und die Primäranode 16 wird gewöhnlich zum Steuern sierung der Röhre 10 plötzlich vom Nullpotential an

der Röhre 10 in den leitenden Zustand verwendet. der Kathode 12 auf eine relativ hohe Spannung von Wie aus dem Folgenden hervorgeht, ergeben sich 35 annähernd der maximalen Sekundäranodenspannung

gewisse Vorteile aus der neuen Betriebsart der Schalt- 18 im Bereiche in der Nähe der Kathode 12 an-

röhre 10. steigt. Von dem Bereich A bis zur Sekundäranode 18

Zwischen der Kathode 12 und der Erde liegt ein steigt die Spannung ziemlich allmählich auf einen Kathodenbelastungswiderstand 20. Die Steuerelek- Wert gerade unterhalb der maximalen Sekundärtrode 14 ist mit einer hohen negativen Spannung vor- 40 anodenspannung 18, bevor sie ruckartig auf die maxigespannt, und zwar durch Verbindung mit einer male Spannung ansteigt. Der Raum zwischen dem negativen Spannungsquelle 24 über einen Gitter- Bereich A und der Sekundäranode 18 ist im folgenableitwiderstand 22. Die Vorspannung der Steuer- den positive Säule (Entladungs- oder Glimmsäule) elektrode 14 ist größer als die Vorspannung, bei der genannt. Nimmt man an, daß die Sekundäranode 18 die Schaltröhre 10 abgeschaltet wird. Die Steuer- 45 ursprünglich ein Potential von 1500 Volt und die elektrode 14 ist über einen Kopplungskondensator 28 Primäranode 16 ursprünglich ein Potential von mit einer Auslöseimpulsspannungsquelle 26 verbun- 800 Volt hat, so erkennt man aus der Kurve B, daß den, die eine Impulsspannung genügender Größe die Primäranode 16 in dem Augenblick, wo die liefert, um die Vorspannung des Steuergitters 14 zu Schaltröhre 10 zündet und leitet, ein durch den überwinden und die Röhre 10 somit in den leitenden 50 Punkt D gekennzeichnetes Potential hat, das geringer Zustand zu schalten. ist als dasjenige der positiven Säule. Daher schließen Die Primäranode 16 wird durch eine Verbindung positive Ionen aus der positiven Säule auf die Primärmit der Primäranodenspannungsquelle 32 über einen anode 16 und verursachen eine Sekundäremission von ersten Spannungsreduzierwiderstand 30 auf einer Elektronen aus derselben, die zur Sekundäranode 18 mittelhohen Spannung gehalten. Zwischen die Primär- 55 fliegen. Der Strom fließt daher im konventionellen anode 16 und Erde ist auch eine Verzögerungsleitung Sinne von der Sekundäranode 18 zur Primäranode 34 geschaltet, die einen Entladungskreis bildet. 16. Es fließt auch ein Strom von der Sekundäranode Die Sekundäranode 18 wird auf ein verhältnis- 18 zur Kathode 12. Der Trimmerkondensator 40 entmäßig hohes positives Potential gebracht, und zwar lädt sich daher schnell über zwei Leitungswege, wobei durch Verbindung mit einer Sekundäranodenspan- 60 der eine Leitungsweg der Primäranodenkreis ist und nungsquelle 38 über einen zweiten Spannungsreduzier- der andere Leitungsweg von der Sekundäranode 18 widerstand 36. Zwischen die Sekundäranode 18 und über den Belastungswiderstand 20 zur Kathode 12 Erde ist ein Trimmerkondensator 40 geschaltet, der verläuft. Der Stromfluß in dem zweiten Leitungsweg einen weiteren Entladungskreis bildet. Die typischen durch den Lastwiderstand 20 erzeugt eine scharf anBetriebsspannungen für die Röhre 10 betragen für 65 steigende Wellenfront 42 des Ausgangsstromes, wie die Vorspannung der Spannungsquelle 24 —75 Volt in Fig. 3 a gezeigt ist. In Fig. 3 ist der gesamte Ent- und für die Spannung der Sekundäranodenspannungs- ladestrom des Trimmerkondensators gemäß Fig. 3 b quelle 38 +1500VoIt. als relativ großer Stromimpuls 44 dargestellt; der

Kaihodenstrom ist in Fig. 3 c als Stromimpuls 46 mit kleiner Amplitude dargestellt, und der Primäranodenstrom ist in Fig. 3 d als Stromimpuls 48 der gleichen Größenordnung wie der Kathodenstromimpuls 46 aufgetragen. Die Richtung des Primäranodenstromimpulses 48 ist als negativ dargestellt, da es sich um einen Ladestrom handelt und im folgenden Entladeströme als positiv angenommen sind. Die Stromrichtung des ursprünglichen Primäranodenstromimpulses 48 ist derart, daß der Verzögerungsleitung 34 eine weitere Ladung zugeführt wird. Daher entlädt sich die Verzögerungsleitung 34 während des anfänglichen Stromflusses durch die Röhre nicht, sondern wird vielmehr kurz auf ein höheres Potential aufgeladen.

Der kurze Impuls des Primäranodenstromes 48 in der Verzögerungsleitung 34 schickt eine Wanderwelle durch die Verzögerungsleitung 34. Fig. 4 zeigt Wellen, wie sie an einem festen Punkt längs der Verzögerungsleitung beim Vorbeilaufen der Wellen auftreten. Fig. 4 a zeigt die Spannung e (i) als Funktion der Zeit, und Fig. 4 b zeigt den Strom i (i) als Funktion der Zeit. Die Spannungswelle erscheint als kurzer, positiv verlaufender Impuls 50 und die Stromwelle ais kurzer, negativ verlaufender Impuls 52. Der Stromimpuls 52 ist negativ, da er dem Entladestrom der Verzögerungsleitung 34 entgegengerichtet ist, die als positiv angesehen wird.

Der Stromimpuls 52 dauert so lange, wie die Primäranode 16 unter dem Potential der positiven Säule in der Röhre 10 bleibt. Wenn die Röhre jedoch einen Strom durchläßt, fällt das Potential der Sekundäranode 18 schnell um einen Betrag, der durch die Entladung des Kondensators 40 bestimmt ist, und bringt das Potential der positiven Säule unter das Potential der Primäranode 16, wie in Kurve C von Fig. 2 gezeigt ist. Unter diesen Umständen kehrt der in der Primäranode fließende Strom seine Richtung um und begrenzt dadurch den negativen Stromimpuls 52 (Fig. 4) und löst eine Entladung der Spannung in der Verzögerungsleitung 34 über den Prirnäranodenkreis aus. Die Entladung in dem Primäranodenkreis verursacht eine negativ verlaufende Spannungswelle 54 und eine positlverlaufe S₁₁O₁LeUe I₆ die die Verzögerungsleitung entlang unmittelbar hinter der positiven Spannunglwelle 50 und der negativen Stromwelle 52, die vorher durch die Verzögerungsleitung 34 geschickt wurden, entlanglaufen. Die diese Leitung von der Primäranode 16 aus entlanglaufende zusammengesetzte Spannungswelle 58 besteht aus einem positiven Impuls 50, dem ein negativer Spanungssprung 54 folgt, und die zusammengesetzte Stromwelle 60 besteht aus einem negativen Impuls 52, auf den ein positiver Sprung 56 folgt. Der negative Spannungssprung 54 verringert die Spannung in der Verzögerungsleitung 34 auf die Hälfte des anfänglichen Wertes E, d. h. auf E/2. Der positive Stromsprung 56 erhöht den Strom in der Verzögerungsleitung 34 auf den Wert /.

Während die Wellen 58 und 16 die Verzögerungsleitung 34 entlanglaufen, hat der gesamte Primäranodenstrom die in der linken Hälfte von Fig. 3e gezeigte Gestalt, und der Ausgangsstrom sowie die Ausgangsspannung haben die in der linken Hälfte von Fig. 3 a gezeigte Gestalt.

Wenn die Wanderstrom- und -Spannungswellen 58 und 16 das Ende der Verzögerungsleitung 34 erreichen, wird die Spannungswelle 58 in Phase und die Stromwelle 60 außer Phase mit den einfallenden Wellen reflektiert. Die reflektierte Spannungswelle 58' erscheint daher als positiver Impuls 50' mit einem negativen Spannungssprung 54', und die reflektierte Stromwelle 60' erscheint als positiver Impuls 52' mit einem negativen Stromsprung 56'.

Wenn die reflektierten Wellen 58' und 60' die Primäranode 16 wieder erreichen, enden die Wanderwellen. Die Verzögerungsleitung 34 wird dann vollständig entladen, und Ausgangsstrom- und -spannungswellen enden ebenfalls. Der anfänglich wandernde Stromimpuls 52 hat jedoch auf die Beendigung die Wirkung, daß er eine positive Komponente 66 zum Ausgangsstromimpuls hinzufügt, so daß die Hinterkante des Ausgangsimpulses quadratischer geformt wird, wie in Fig. 3 a dargestellt ist. Der wandernde Stromimpuls 52 ist in Fig. 3 e als negativer Impuls an der Vorderkante der Welle des gesamten Primäranodenstromes und als positiver Impuls an der Hinterkante derselben dargestellt.

Auf Grund dieser positiven Komponente 36 betragen die Abfallzeiten der rechteckigen Impulse mit Spannungswerten von mehreren hundert Volt weniger als 3 Nanosekunden. Außerdem kann die Anstiegszeit in ähnlicher Weise auf weniger als 3 Nanosekun- den verringert werden, indem man zuerst eine schnelle Entladung des Trimmerkondensators 40 über die Röhre 10 herbeiführt. Diese schnelle Entladung wird durch Verwendung des Steuergitters 14 erreicht, das die Ionisierung steuert. Diese Elektrode wird gewöhn-Hch als Schirmgitter verwendet.

Die enge Nachbarschaft eines Bereiches des Steuergitters 14 zur Kathode 12 ermöglicht eine bessere Steuerung der Ionisation und ergibt daher kürzere lonisationszeiten mit dementsprechend schnelleren Entladungen des Trimmerkondensators 40.

Die typischen Schaltungswerte der in Fig. 1 dargestellten Schaltung sind folgende:

Bei einer richtig funktionierenden Ausführungsform mit den obigen Schaltwerten werden Rechteck-Spannungsimpulse von 350 Volt Impulshöhe erzeugt mit Anstiegs- und Abfallzeiten von weniger als 3 Nanosekunden.

Der Wert des Trimmerkondensators 40 kann verändert werden, um eine gewünschte Wellenform zu erhalten. Je größer die Kapazität ist, desto größer sind auch die Spitzen, die am Anfang eines Impulses auftreten, und desto kleiner ist auch die Anstiegszeit. Aus konstruktiven Rücksichten kann die Kapazität relativ groß gemacht werden, um einen steilen Anstieg auf Kosten eines überschießenden Impulses zu erreichen, oder sie kann sehr klein gehalten werden, um eine im wesentlichen flache Wellenform auf Kosten einer längeren Anstiegszeit zu erhalten. Fig. 5 zeigt Änderungen in der Form der Ausgangswelle bei

Widerstand 36 10 MOhm

w°d T dsi 10MOh

1 e s an ........ ^m

kondensator 28 ¹^ InZ

Widerstand 22 ..... 10 kOhm

Spannungsquelle> 24 -75 VoI

Verzögerungsleitung 34 70 cm (2 Fuß)

Änderungen der Kapazität des Trimmers 40. Die Ausgangswelle hat typischerweise eine Dauer von Nanosekunden. Fig. 5 a zeigt eine typische unkompensierte Welle, d. h. eine Welle, die sich bei der Trimmerkapazität Null ergibt. Fig. 5 b zeigt eine typische genau kompensierte Welle, die sich bei dem richtigen Wert der Trimmerkapazität einstellt. Fig. 5 c zeigt eine überkompensierte Welle, die von einem zu hohen Kapazitätswert des Trimmers herrührt.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE: IO

1. Schaltung zur Formung flankensteiler Impulse mit einer Thyratronschaltröhre mit Kathode, Steuergitter, Primäranode und Sekundäranode und einem Lastwiderstand, der in Reihe mit der Röhre geschaltet ist, gekennzeichnet durch einen ersten Ladekreis (32, 30) mit einer ersten, an die Primäranode (16) angeschlossenen Energiespeichervorrichtung (34), durch einen zweiten Ladekreis (36, 38) mit einer zweiten, an die Sekundäranode (18) angeschlossenen Energiespeichervorrichtung (40), wobei die Aufladung der zweiten Energiespeichervorrichtung auf eine höhere Spannung als die an der ersten Energiespeichervorrichtung erfolgt, durch eine Einrich- as rung, um die Röhre normalerweise im nichtleitenden Zustand zu halten, und durch eine Einrichtung, um die Röhre in den leitenden Zustand zu bringen, um einen Entladungsweg für die Energiespeichervorrichtungen zu schaffen, wobei sich die zweite Energiespeichervorrichtung (40) über die Röhre entlädt, bevor die erste Energiespeichervorrichtung (34) sich entlädt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Energiespeichervorrichtung eine Verzögerungsleitung (34) und als zweite Energiespeichervorrichtung ein Kondensator (40) verwendet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ladekreis eine erste Spannungsquelle (32) mit vorbestimmter Spannung und der zweite Ladekreis eine Spannungsquelle (38) umfaßt, deren Spannung größer ist als die der ersten Spannungsquelle.

4. Schaltung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufrechterhalten des nichtleitenden Zustandes des Thyratrons (10) eine negative Vorspannung an das Steuergitter (14) gelegt ist, die größer ist als die negative Vorspannung, bei der die Entladung erlischt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ladekreis eine Verzögerungsleitung (34), einen ersten Widerstand (30) und eine erste Spannungsquelle (32) umfaßt, die in Serie geschaltet sind, wobei die Primäranode (16) an die Verbindungsstelle zwischen dem ersten Widerstand und der Verzögerungsleitung angeschaltet ist.

6. Schaltung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ladekreis einen Kondensator (40), einen zweiten Widerstand (36) und eine zweite Spannungsquelle (38) umfaßt, die in Serie geschaltet sind, wobei die Sekundäranode (18) mit der Verbindungsstelle des zweiten Widerstandes und des Kondensators verbunden ist.

7. Schaltung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal an einem in der Kathodenleitung des Thyratrons liegenden Widerstand (20) abgenommen wird.

8. Schaltung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (40) des zweiten Ladekreises einstellbar ist.

9. Schaltung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Thyratron ein übliches Mehrgitter-Thyratron verwendet ist, daß die üblicherweise als Steuergitter vorgesehene Elektrode als Primäranode (16) und daß die üblicherweise als Schirmgitter vorgesehene Elektrode als Steuergitter (14) verwendet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 015 544.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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