DE1176187B

DE1176187B - Impulserzeugerschaltung

Info

Publication number: DE1176187B
Application number: DES80342A
Authority: DE
Inventors: John Joseph Hickey; George Leslie Clark
Original assignee: SPACE TECHNOLOGY LAB Inc
Current assignee: SPACE TECHNOLOGY LAB Inc
Priority date: 1961-08-21
Filing date: 1962-07-10
Publication date: 1964-08-20
Also published as: US3100872A; CH429827A; GB1010328A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES W¥W PATENTAMT Internat. Kl.: H 03 k

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche KL: 21 al-36/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

S 80342 VIII a/21 al

10. Juli 1962

20. August 1964

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines sehr hohen Spannungsimpulses, der eine gering gedämpfte von der Länge des Impulses unabhängige Anstiegs- und Abstiegsflanke hat.

Es sollen nach der Erfindung Impulse erzeugt werden, die Amplituden von mindestens 300 V haben, wobei die Anstiegs- und Abfallzeiten unabhängig von der Impulsbreite etwa 5 nanosec (5 · 10~⁹ see) und eine Impulsdauer von 10 μβ betragen. Das Verhältnis der Anstiegszeit zur Impulszeit ist hierbei 0,05 %, während es vergleichsweise beim heutigen Stand der Technik nur möglich ist, ein Anstiegszeit-Impulsbreiten-Verhältnis von nur 1% zu erzeugen. Die Vorteile der Erfindung sind daher am augenscheinlichsten, wenn diese bei der Erzeugung von Impulsen mit einer größeren Länge als Va μ& angewandt wird.

Die Schaltung nach der Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß einer gering gedämpften, durch ein Eingangssignal auslösbaren und mit einer Spannungsbegrenzervorrichtung in Serie liegenden Schaltvorrichtung, die die Anstiegsflanke eines parallel zur Begrenzungsvorrichtung und von dieser auf einen gewünschten Spannungsweit begrenzten Spannungsimpulses erzeugt, eine erste Energiespeichervorrichtung mit vergleichsweise kurzer Zeitkonstante und eine zweite Energiespeichervorrichtung mit vergleichsweise langer Zeitkonstante parallel geschaltet sind, um das Ausgangssignal bei dem begrenzten Spannungswert aufrechtzuerhalten und ihr ein Serienresonanzkreis angeschlossen ist, der ein Signal erzeugt, das über eine zweite, gering gedämpfte, parallel zur Begrenzungsvorrichtung liegende Schaltvorrichtung die Begrenzungsvorrichtung kurzschließt und damit den Ausgangsimpuls zeitlich beendet. Die gering gedämpfte, durch ein Eingangssignal auslösbare Schaltvorrichtung enthält ein Thyratron, dessen Anode über einen Begrenzungswiderstand an eine vergleichsweise hohe positive Arbeitsspannung gelegt ist, dessen Kathode über einen Kathodenwiderstand an Masse, dessen Steuergitter an einer vergleichsweise hohen positiven Spannung liegt und dessen über den Gitterwiderstand ausreichend hoch negativ vorgespanntes Gitter über den Kopplungskondensator den das Thyratron zündenden Eingangsimpuls empfängt. Die erste Energiespeichervorrichtung ist ein Kondensator mit regelbarer Kapazität, der auf eine vergleichsweise höhere Spannung als das begrenzte Ausgangssignal aufgeladen ist, und der dem Thyratron parallel geschaltet ist. Die zweite Energiespeichervorrichtung mit Impulserzeugerschaltung

Anmelder:

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

Vertreter:

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

Als Erfinder benannt:
John Joseph Hickey,
George Leslie Clark,
Hawthorne, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 21. August 1961 (132 795)

langer Zeitkonstante besteht aus der Serienschaltung eines auf eine vergleichsweise höhere Spannung als das begrenzte Ausgangssignal aufgeladenen Kondensators und eines Widerstandes, wobei das Thyratron parallel geschaltet ist. Die Begrenzungsvorrichtung für den Ausgangsimpuls ist eine zum Kathodenwiderstand des Thyratrons parallelgeschaltete Zenerdiode. Zur Begrenzungsvorrichtung ist ein durch eine Vorspannung blockiertes Thyratron parallel geschaltet, das durch den vom Verzögerungsgenerator erzeugte und über den Kopplungskondensator auf das Steuergitter geleiteten Signalimpuls gezündet wird, so daß bei gezündetem Thyratron die Begrenzungsvorrichtung kurzgeschlossen und dadurch das Ausgangssignal zeitlich begrenzt ist. Der Serien-

4<j resonanz-LC-Kreis besteht aus einer Kapazität und einer Induktivität, dessen Serienkondensator auf eine wesentlich höhere Spannung aufgeladen ist als das begrenzte Ausgangssignal aufweist und das auf die erste geringgedämpfte Schaltvorrichtung anspricht, die den Resonanzkreis zum Schwingen bringt. Dem Resonanzkreis ist eine Detektorvorrichtung nachgeschaltet, so daß bei angestoßenem Resonanzkreis eine Schwingung in einer Richtung erzeugt wird, die den Hauptteil des Ausgangssignals bei dem begrenzten Spannungswert unterstützt, und die Detektorvorrichtung auf eine Stromumkehr dieser Schwingung anspricht, so daß ein Signal erzeugt wird, das

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dem Thyratron zugeleitet wird und dieses zündet. Thyratrons 27 verbunden. Das Thyratron 27 ist als

Die Kapazität und die Induktivität des Resonanz- Diode geschaltet und enthält ein Schirmgitter 28,

kreises sind regelbar. Die dem Resonanzkreis nach- eine Anode 29 und ein Steuergitter 29«, die alle mit

geschaltete Detektorvorrichtung enthält eine Diode Masse an Punkt 30 verbunden sind. Die äußere Ver-

mit wenigstens einer Anode und einer Kathode, die 5 bindung der Kathode 26 mit dem Schirmgitter 28 des

in einer solchen Richtung in Serie mit dem Reso- Thyratrons 27 ist ein vergleichsweise hoher Wider-

nanzkreis geschaltet sind, daß die Diode nur wäh- stand 31.

rend der ersten Halbwelle der vom Resonanzkreis Das andere Ende des Kopplungskondensators 25 erzeugten Schwingung leitet, und die Stromumkehr ist mit einem Schirmgitter 32 des Thyratrons 33 verdes Schwingkreises eine vergleichsweise hohe posi- io bunden. Das Schirmgitter 32 ist negativ vorgespannt, tive Spannung an der Kathode bezüglich auf die um die Leitfähigkeit des Thyratrons 33 in AbAnode liefert. Der dem Resonanzkreis nachgeschal- Wesenheit eines positiven Signals zu verhindern, das teten Diodendetektor besteht aus einem Thyratron, durch den Kopplungskondensator 25 zugeführt wird, dessen Kathode am Resonanzkreis angeschlossen ist, Thyratron 33 enthält eine Anode 34, die an die Ver- und dessen Anode, Schirmgitter und Steuergitter mit 15 bindung von Kathode 12 des Thyratrons 13 mit dem Masse verbunden sind, und dessen äußere Ver- Widerstand 10 angeschlossen ist. Die Kathode 35 des bindung der Kathode mit dem Schirmgitter ein ver- Thyratrons 33 ist mit Masse an Punkt 36 verbunden, gleichsweise hoher Widerstand ist. In den Thyra- und das Steuergitter 34 a ist mit einer vergleichsweise tronröhren ist die üblicherweise als Schirmgitter ver- hohen positiven Spannung verbunden. Die Zündung wendete Elektrode als Steuergitter benutzt, und das 20 des Thyratrons 33 ist durch die vergleichsweise hohe normale Steuergitter ist an einer Stromquelle ver- Spannung am Steuergitter 34« relativ unabhängig gleichsweise hoher Spannung angeschlossen, um die von der Spannung an der Anode 34.
Ionisationszeit herabzusetzen. Parallel zum Widerstand 10 ist als Begrenzungs-Weitere Vorteile der Erfindung werden ver- mittel eine Zenerdiode 36 a geschaltet. Das Ausanschaulicht durch die Erläuterung der Zeichnung, 25 gangssignal wird parallel zum Widerstand 10 an die in einem schematischen Schaltbild eine Aus- einem äußeren Belastungswiderstand erhalten, der führung der Erfindung darstellt, bei der ein 400-V- durch den Kondensator 37 dargestellt ist.
Signal von 10 μβ Dauer mit einer Anstiegs- und Ab- Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltung fallzeit von 10 nanosec erzeugt wird. Das normale ist am besten verständlich durch die Annahme eines Thyratron 2 D 21, das dabei verwendet wird, ist 30 Ruhearbeitspunktes, bei dem der Kondensator 19, nicht in der normalen und herkömmlichen Weise ge- der Kondensator 21 und der Kondensator 24 durch schaltet, sondern es wird das Schirmgitter als Steuer- die Versorgungsspannung B aufgeladen sind. Beim gitter benutzt, und das normale Steuergitter wird mit Anlegen eines Steuersignals an das Schirmgitter 14 einer Stromquelle vergleichsweise hoher Spannung des Thyratrons 13 wird das Thyratron schnell durch verbunden, um die Ionisationszeit herabzusetzen. 35 die positive Spannung an Gitter 16 α zünden. Der Ein Widerstand 10 ist an einem Ende mit Masse Kondensator 19 entlädt sich durch Thyratron 13 und 11 und an dem anderen mit der Kathode 12 des die parallele Kombination von Widerstand 10, Diode Thyratrons 13 verbunden. Das Eingangsauslösesignal 36 und äußerer Belastung 37. Die Entladung von des Thyratrons 13 wird dem Schirmgitter 14 des Kondensator 19 erzeugt einen schnellen, gering geThyratrons 13 durch einen üblichen Kopplungskon- 40 dämpften Spannungsanstieg an den Ausgangsdensator 15 zugeleitet. Das Schirmgitter 14 ist über klemmen. Gleichzeitig entlädt Kondensator 21 sich den Widerstand 16 negativ vorgespannt, um zu ver- ähnlich, aber langsamer durch den Widerstand 22. hindern, daß das Thyratron bei Abwesenheit eines Der steile Spannungsanstieg am Ausgang erreicht Eingangssteuersignals leitend ist. Ein Steuergitter schnell die Durchbruchsspannung der Zenerdiode 16a im Thyratron 13 ist mit einer vergleichsweise 45 36a, die dann leitet und das Ausgangssignal auf hohen positiven Spannung verbunden, um die An- einen gewünschten Wert begrenzt. Die Leitfähigkeit Sprechzeit des Thyratrons zu verbessern. Die Hoch- des Thyratrons 13 erzeugt einen Entladungsweg für spannungsversorgung wird mit einem geeigneten Be- Kondensator 24, indem sie eine hohe Spannung grenzungswiderstand 17 an die Anode 18 des Thy- parallel zu Thyratron 27 in Vorwärtsrichtung legt, ratrons 13 angeschlossen. Eine erste Energiespeicher- 50 die zum Durchbruch des Thyratrons 27 ausreicht, vorrichtung, z. B. ein veränderlicher Kondensator 19, Dabei ist das Thyratron 27 als Diode geschaltet. Die ist an einem Ende mit der Anode 18 verbunden und Leitfähigkeit des Thyratrons 27 erlaubt dem Serienan dem anderen mit Masse 20, um dadurch den resonanzkreis, bestehend aus Spule 23 und Konden-Kondensator 19 parallel zum Ausgang zu schalten, sator 24, während einer Halbwelle zu schwingen und wenn das Thyratron 13 leitend wird. Eine zweite 55 schafft dadurch die Grund-Impuls-Gestalt für das Energiespeichervorrichtung, z. B. ein Kondensator Ausgangssignal. Die erste Stromumkehr des schwin-21, ist an einem Ende mit der Anode 18 des Thyra- genden Signals wird benutzt, um ein Endsignal zu trons 13 verbunden und an dem anderen mit einem erzeugen, daß das Thyratron zündet und effektiv Widerstand 22, der mit Masse 20 verbunden ist. Die den Ausgang kurzschließt. Wenn der Schwingstrom Serienschaltung von Kondensator 21 und Widerstand 60 umzukehren versucht, hört das Thyratron 27 auf zu 22 ist parallel zum Ausgang geschaltet, wenn das leiten. Als Folge davon steigt die Spannung an der Thyratron 13 leitend ist. Kathode 26 schnell in positiver Richtung. Dieser Ein Verzögerungsgenerator in der Form eines plötzliche Spannungsanstieg wird dem Schirmgitter Serienresonanzkreises, bestehend aus der Spule 23 32 des Thyratrons 33 zugeführt und macht dadurch und dem Kondensator 24, ist an einem Ende mit der 65 das Thyratron 33 leitend, wodurch die Spannung Anode 18 des Thyratrons 13 und an dem gegenüber- parallel zu den Ausgangsklemmen kurzgeschlossen liegenden Ende mit einer Verbindung des Kopp- wird. Ein Überblick auf die Schaltung zeigt, daß lungskondensators 25 und einer Kathode 26 eines beide — die Anstiegs- und die Abfallflanke —

Claims

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durch die Entladung der gering gedämpften Schal- hohen positiven Spannung liegt und dessen über tung 13 erzeugt werden. Zusätzlich wird das Dach den Gitterwiderstand (16) ausreichend hoch negader hohen Spannung des Impulses durch den gerin- tiv vorgespanntes Gitter (14) über den Koppgen dynamischen Widerstand der Zenerdiode kon- lungskondensator (15) den das Thyratron zünstant gehalten. Eine solche Ausführung ist ge- 5 denden Eingangsimpuls empfängt, eignet, einen 10 μβ 400-V-Impuls zu erzeugen, der 3. Impulserzeugerschaltung nach Anspruch 1 Anstiegs- und Abfallzeiten von 10 nanosec bei einer und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste kapazitiven Last von 50 pF hat, und zwar bei Ver- Energiespeichervorrichtung ein Kondensator (19) Wendung folgender Einzelteile: mit regelbarer Kapazität ist, der auf eine ver-

xo gleichsweise höhere Spannung als das begrenzte

Thyratron 13, 27, 33 2 D 21 Ausgangssignal aufgeladen ist, und der dem

Widerstand 22 10 kOhm Thyratron (13) parallel geschaltet ist.

Widerstand 17 1 MOhm 4. Impulserzeugerschaltung nach den An-

Widerstand 31 10 MOhm sprächen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß

15 die zweite Energiespeichervornchtung mit langer

Lastwiderstand 10 kOhm Zeitkonstante aus der Serienschaltung eines

Kondensator 24 0,015 μΡ _auf _euie vergleichsweise höhere Spannung als das

Kondensator 21 0,05 μΡ begrenzte Ausgangssignal aufgeladenen Konden-

Kondensator 19 0 015 μΡ sators (21) und eines Widerstandes (22) besteht,

Spule 23 '.'.'.'.'.'.'..'...'.. 400'bis 800 μΗ ^{ao und dem} Thyratron (13) parallel geschaltet ist.

^r , _ 5. Impulserzeugerschaltung nach den An-

Anodenspannung für Thyra- Sprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

tron 13 +1000 V ^₆ B_eg_renzung_SVOrri_chtung für den Ausgangs-

Schirmgittervorspannung —75 V impuls eine zum Kathodenwiderstand (10) des

Spannung für Thyratron 13 ^a5 Thyratrons (13) parallel geschaltete Zener-

und 33 diode (36 a) ist.

Steuergitterspannung ⁶: Impulserzeugerschaltung nach den AnThyratron 13 und 33 +800 V ^sP^ra<;hen ^{X bls 5}' ^dadurch fk™^* ^daß

. _Ληη*_τ zur Begrenzungsvornchtung (36 α) ein durch eine

Ausgangssignalspannung .... +400 V _go Vorspannung blockiertes Thyratron (33) parallel

Diode 36 2 CR101 s geschaltet ist, das durch den vom Verzögerungs-

Belastungskapazität 37 50 pF generator erzeugte und über den Kopplungskondensator (25) auf das Steuergitter (32) geleite-

Patentansprüche· ^ten Signalimpulse gezündet wird, so daß bei ge-

' 35 zündetem Thyratron (33) die Begrenzungsvorrich-

1. Impulserzeugerschaltung zur Erzeugung von tung (36 a) kurzgeschlossen und dadurch das Spannungsimpulsen mit Amplituden von minde- Ausgangssignal zeitlich begrenzt ist. stens 300 V und von der Impulsbreite un- 7. Impulserzeugerschaltung nach den Anabhängigen Anstiegs- und Abfallzeiten, da- Sprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch gekennzeichnet, daß einer gering 4° der Serienresonanz-LC-Kreis aus einer Kapagedämpften, durch ein Eingangssignal auslöbaren zität (24) und einer Induktivität (23) besteht, des- und mit einer Spannungsbegrenzervorrichtung sen Serienkondensator (24) auf eine wesentlich (36 a) in Serie liegenden Schaltvorrichtung (13), höhere Spannung aufgeladen ist als das bedie die Anstiegsflanke eines parallel zur Be- grenzte Ausgangssignal aufweist, und das auf grenzungsvorrichtung und von dieser auf einen 45 die erste geringgedämpfte Schaltvorrichtung (13) gewünschten Spannungswert begrenzten Span- anspricht, die den Resonanzkreis zum Schwingen nungsimpulses erzeugt, eine erste Energiespeicher- bringt.

vorrichtung (19) mit vergleichsweise kurzer Zeit- 8. Impulserzeugerschaltung nach den Ankonstante und eine zweite Energiespeichervorrich- Sprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß tung (20, 21) mit vergleichsweise langer Zeit- 50 dem Resonanzkreis (23, 24) eine Detektorvorrichkonstante parallel geschaltet sind, um das Aus- tung (27) nachgeschaltet ist, so daß bei angangssignal bei dem begrenzten Spannungswert gestoßenem Resonanzkreis eine Schwingung in aufrechtzuerhalten und ihr ein Serienresonanz- einer Richtung erzeugt wird, die den Hauptteil kreis (23, 24) angeschlossen ist, der ein Signal des Ausgangssignals bei dem begrenzten Spanerzeugt, das über eine zweite, gering gedämpfte, 55 nungswert unterstützt, und die Detektorvorrichparallel zur Begrenzungsvorrichtung liegende tung auf eine Stromumkehr dieser Schwingung Schaltvorrichtung (33) die Begrenzungsvorrich- anspricht, so daß ein Signal erzeugt wird, das tung kurzschließt und damit den Ausgangsimpuls dem Thyratron (33) zugeleitet wird und dieses zeitlich beendet. zündet.

2. Impulserzeugerschaltung nach Anspruch 1, 60 9. Impulserzeugerschaltung nach den Andadurch gekennzeichnet, daß die gering ge- Sprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dämpfte, durch ein Eingangssignal auslösbare die Kapazität (24) und die Induktivität (23) des Schaltvorrichtung ein Thyratron (13) enthält, des- Resonanzkreises regelbar sind, sen Anode (18) über einen Begrenzungswider- 10. Impulserzeugerschaltung nach den Anstand (17) an eine vergleichsweise hohe positive 65 Sprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Arbeitsspannung gelegt ist, dessen Kathode (12) die dem Resonanzkreis (23, 24) nachgeschaltete über einen Kathodenwiderstand (10) an Masse, Detektorvorrichtung eine Diode (27) mit wenigdessen Steuergitter (16 a) an einer vergleichsweise stens einer Anode und einer Kathode enthält, die

in einer solchen Richtung in Serie mit dem Resonanzkreis (23, 24) geschaltet sind, daß die Diode nur während der ersten Halbwelle der vom Resonanzkreis erzeugten Schwingung leitet, und die Stromumkehr des Schwingkreises eine vergleichsweise hohe positive Spannung an der Kathode bezüglich auf die Anode liefert.

11. Impulserzeugerschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Resonanzkreis nachgeschaltete Diodendetektor aus einem Thyratron (27) besteht, dessen Kathode (26) am Resonanzkreis (23, 24) angeschlossen ist, und dessen Anode (29), Schirm-

gitter (28) und Steuergitter (29 a) mit Masse verbunden sind, und dessen äußere Verbindung der Kathode (26) mit dem Schirmgitter (28) ein vergleichsweise hoher Widerstand (31) ist.

12. Impulserzeugerschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in den Thyratronröhren (13 und 33) die üblicherweise als Schirmgitter verwendete Elektrode als Steuergitter (14 bzw. 32) benutzt und das normale Steuergitter (16 bzw. 34 a) an einer Stromquelle vergleichsweise hoher Spannung angeschlossen ist, um die Ionisationszeit herabzusetzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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