DE1185654B - Getriggerte Impulserzeugerschaltung mit Halbleiterelementen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H 03 k

Deutsche Kl.: 21 al-36/02

Nummer: 1185 654

Aktenzeichen: St 21625 VIII a/21 al

Anmeldetag: 31. Januar 1964

Auslegetag: 21. Januar 1965

Die Erfindung behandelt eine Impulserzeugungsschaltung, die durch Verwendung von Halbleiterelementen, die Gebiete mit Lawinendurchbruchcharakteristik aufweisen, zuverlässig arbeitet.

Bei den in der Funknavigation üblichen Entfernungsmeßeinrichtungen sind derartig zuverlässige Impulsgeneratoren für Steuer- und Schaltzwecke besonders wichtig. Bei den jetzt eingesetzten Entfernungsmeßeinrichtungen wird die Entfernung als Laufzeitdifferenz zwischen von einem Flugzeug ausgesendeten und den als Antwort von einer Bodenstation ausgesendeten und im Flugzeug wiederempfangenen Impulsen bestimmt (sogenanntes Abfrageverfahren). Die Impulserzeugerschaltung wurde bisher mit Elektronenröhren und Thyratrons aufgebaut; sie war daher recht kompliziert, räumlich umfangreich, und auch der Stromverbrauch war beträchtlich. Ein Beispiel für eine derartige Schaltungsanordnung ist in dem Buche »Electronic Avigation Engineering« von Peter C. Sandretto, Ausgabe 1958, auf den S. 467 bis 473 beschrieben. Versuche, die Schaltungsanordnung durch Einsatz von Halbleiterelementen in kleinerem Raum unterzubringen, haben nicht den gewünschten Erfolg gehabt, und zwar wegen der dadurch bedingten Veränderung der räumlichen Anordnung, wegen Alterungserscheinungen von Bauelementen, wegen des gelegentlichen Auftretens von Übergangsimpulsen und wegen Instabilitäten der Stromversorgung wegen der bei Halbleiterelementen gegenüber Röhren ungleich höheren Ströme.

Eine für die beschriebene Aufgabe brauchbare Impulserzeugerschaltung ist erst durch die neuartige Kombination eines gesteuerten Siliziumgleichrichters (Thyristor) mit einer Vierschichtdiode, in Serie geschaltet, geschaffen worden. In dieser Schaltung werden die besonderen Eigenschaften der Spannungsstromkennlinie und die empfindliche Zündeigenschaft des gesteuerten Siliziumgleichrichters dazu ausgenutzt, um in zuverlässiger Weise eine Impulserzeugerschaltung anzustoßen, die dann die Auswerteeinrichtung in Gang setzt.

Die Einzelheiten der Schaltungsanordnung werden an Hand von Figuren näher erläutert, von denen

F i g. 1 ein Schaltbild der Anordnung darstellt; in

F i g. 2 ist eine Spannungskurve der Eingangsimpulse gezeichnet, durch die die Schaltungsanordnung getriggert wird; in

F i g. 3 ist die Form der Ausgangsspannung und in

F i g. 4 die Form des entsprechenden Stromes aufgezeichnet.

Wie in den F i g. 1 und 2 gezeigt ist, werden die Triggerimpulse 10 über einen Kopplungskondensator Getriggerte Impulserzeugerschaltung mit
Halbleiterelementen

Anmelder:

Standard Elektrik Lorenz Aktiengesellschaft,

Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Als Erfinder benannt:

Mark Mandel, West Orange, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 4. Februar 1963 (255 868)

12 der Steuerelektrode 14 eines gesteuerten Siliziumgleichrichters 16 zugeführt. In Serie zum gesteuerten

so Siliziumgleichrichter und der Gleichstromquelle ist eine Vierschichtdiode 18 vom pnpn-Typ gelegt. Ein. charakteristisches Merkmal sowohl eines gesteuerten Siliziumgleichrichters als auch einer Vierschichtdiode ist, daß sie Gebiete mit Lawinendurchbruchcharakter aufweisen, d. h., die Bauteile werden ganz plötzlich leitend, wenn die Signalspannung die Anoden-Emitter-Durchbruchspannung überschreitet. Für den gesteuerten Siliziumgleichrichter wird der leitende Zustand bei kleineren Anoden-Emitterspannungen herbeigeführt, indem eine geeignete Triggerspannung an die Steuerelektrode angelegt wird. Der leitende Zustand bleibt — unbeschadet weiterer Triggerimpulse — so lange erhalten, bis ein gewisser Minimumwert des Anodenstromes (Haltestrom) unterschritten wird; erst dann wird die Strecke wieder nichtleitend. Für die Vierschichtdiode gilt das gleiche. Für diese kann dieser Minimalstrom etwas höher gewählt werden als für den gesteuerten Siliziumgleichrichter, so daß der Sperrzustand bei der Vierschichtdiode früher erreicht wird.

Der durch die Diode fließende Strom wird in erster Linie durch einen Serienwiderstand 20 begrenzt, der gleichzeitig der Arbeitswiderstand der Impulserzeugerschaltung ist. Diese besteht aus der Induktivität der Primärwicklung 22 eines Transformators und der dazu in Reihe geschalteten Reaktanz eines Kondensators 24, der mit der Vierschichtdiode 18 und dem Widerstand 20 verbunden ist. Das andere Ende des Widerstandes 20 ist mit dem (+)-Pol der Strom-Versorgung verbunden. Da das andere Wicklungsende der Primärwicklung 22 mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden ist, wird der Kondensator 24 auf

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die volle Spannung aufgeladen und dann über den Wenn aber noch eine Vierschichtdiode in Serie mit gesteuerten Siliziumgleichrichter 16 und die mit die- dem gesteuerten Gleichrichter liegt, kann die Schalsem in Serie liegende Vierschichtdiode 18, während tung mit einem verhältnismäßig niedrigen Vorwiderdiese leitend sind, wieder entladen. So findet in be- stand betrieben werden, um in zuverlässiger Weise kannter Weise ein Energieaustausch zwischen dem 5 den Sperrzustand herzustellen. Wie oben erwähnt, Kondensator 24 und der Induktivität der Primärwick- wählt man bei der Diode den Haltestrom etwas höher lung des Transformators statt. Der Strom durch die als den des gesteuerten Gleichrichters. Es wird dann Diode 18 und den Gleichrichter 16 fließt jedoch nur auch ein etwas kleinerer Vorwiderstand benötigt. In in Richtung zum Minuspol der Stromquelle hin. Der manchen Fällen erfüllt dann dieser Widerstandswert in der Impulserzeugerschaltung fließende Strom er- io die Erfordernisse für eine hohe Impulswiederholungsreicht gemäß F i g. 4 sein Maximum, dessen Höhe be- frequenz der Schaltung und auch für die notwendige stimmt ist durch die zwischen der Anode der Diode Strombegrenzung, so daß die Impulserzeugerschal-18 und dem negativen Pol der Stromquelle liegenden tung, deren Hauptaufgabe der rasche Stromabfall mit Spannung, den Werten der Reaktanz des Konden- sehr steiler Hinterflanke ist, insofern noch vereinfacht sators 24 und der Induktivität der Primärwicklung 22. 15 werden kann, als der Transformator durch einen Der Wert des Strommaximums hängt außerdem noch ohmschen Widerstand ersetzt wird. Wenn aber wegen von den im Entladungskreise liegenden Widerständen einer hohen Impulswiederholungsfrequenz kombiniert einschließlich der Widerstände der Diode 18 und des mit einer wirksamen Strombegrenzung die kompli-Gleichrichters 16 in den Lawinendurchbruchsgebieten ziertere Impulserzeugerschaltung mit Transformator ab. Der Strom nimmt dann rasch ab bis zu einem 20 erforderlich ist, bewirkt die Einschaltung einer Vier-Werte, der etwas unter dem normalen Haltestrom der schichtdiode eine einwandfreie Sperrung des gesteuer-Vierschichtdiode liegt, wodurch der Sperrzustand ten Gleichrichters unter Einhaltung eines genügend hergestellt wird. großen Stromes. Die Einschaltung einer Vierschicht-

Ohne das Vorhandensein der Vierschichtdiode 18 diode wirkt sich also so aus, daß unerwünschte, etwa in der Schaltung würde für den gesteuerten Silizium- 25 an der Steuerelektrode auftretende Störimpulse ein gleichrichter 16 ein viel größerer Serienwiderstand 20 Leitendwerden der Entladungsstrecke verhindern,
erforderlich sein, um einen entsprechend kleinen Bei der hier besprochenen Anordnung liegt der Haltestrom zu bekommen. Ein großer Widerstand ist über die Diode 18 fließende Strom normalerweise aber unerwünscht, wenn eine hohe Impulswieder- unter dem minimal notwendigen Haltestrom, so daß holungsfrequenz verlangt ist. Der Kondensator 24 30 die ganze Serienschaltung nichtleitend ist. Die Widerkönnte dann nämlich nicht genügend schnell auf die stände 20, 26, 28 und 30 bilden einen Spannungsvolle Spannung aufgeladen werden. Es ist daher ein teiler für die Stromquelle, so daß die richtigen Spansolcher Widerstandswert erforderlich, der den Halte- nungen an der Diode 18 und dem gesteuerten Gleichstrom nur so weit begrenzt, wie es zum Erreichen des richter liegen bzw. daß die notwendigen Ströme Sperrzustandes notwendig ist. Ohne die Diode 18 35 durch dieselben fließen. So wird durch den verhältwürde die Schaltung daher nicht zuverlässig arbeiten, nismäßig kleinen Widerstand 20 und die relativ es würde vielmehr bei veränderlichen Schaltungs- hohen Widerstände 26 und 28 der die Bauelemente konstanten und bei Auftreten von Störimpulsen in durchfließende Strom begrenzt. Weitere, in den Entfehlerhafter Weise der leitende Zustand für den ge- ladungskreis in Serie eingeschaltete Dioden 32 und steuerten Siliziumgleichrichter nicht herbeigeführt 40 34 von gewöhnlichem Typ bilden eine an sich bewerden. kannte Störbegrenzerschaltung, und es müssen die

Eine fehlerhafte Arbeitsweise kann z. B. dann ein- Signalimpulse daher erst einen bestimmten Pegel treten, wenn der Kondensator 24 beim Zünden des — bezogen auf Nullpotential — erreichen, bevor Gleichrichters nicht voll aufgeladen ist. In diesem eine EntSperrung der Anordnung eintritt. Der WiderFalle würde dann nicht die maximale Amplitude in 45 stand 30 dient auch der Vorspannungserzeugung für der Impulserzeugerschaltung erreicht werden. Wenn die Dioden 32 und 34.

die Amplitude genügend klein geworden ist, erreicht Wenn Steuerimpulse 10 — diese können als Antder nach der negativen Richtung gehende Impulsanteil wortimpulse der Bodenstation aufgefaßt werden — nicht den erforderlichen Wert des Haltestromes, um an der Steuerelektrode 14 anliegen, wird der geden gesteuerten Gleichrichter stromundurchlässig zu 50 steuerte Gleichrichter leitend, und die an ihm anmachen. Eine solche Arbeitsweise würde dann ein- stehende Spannung bricht augenblicklich zusammen, treten, wenn zufällig ein zweiter Eingangsimpuls, der Dadurch steht nun an der Diode 18 eine höhere Spanschon nach kurzer Zeit auf den ersten folgt, an die nung an, — sie ist gleich der am Kondensator 24 an-Steuerelektrode gelangt oder wenn durch ander- stehenden Spannung, vermindert um den Spannungsweitige Ursachen der gesteuerte Gleichrichter 16 zum 55 abfall an den Bauelementen 16, 32 und 34 — und Zünden gebracht wird, bevor der Kondensator 24 diese verursacht den Durchbruch der Diode 18, so wieder voll aufgeladen ist, um durch den im richtigen daß sie plötzlich leitend wird. Der Kondensator 24 Abstand folgenden Signalimpuls durch das Zünden wird also über die Bauelemente 16,18,32 und 34 mit des gesteuerten Gleichrichters entladen zu werden. dem negativen Pol der Stromquelle verbunden und so Der nächste Signalimpuls bricht dann entweder zu- 60 entladen. In F i g. 3 ist der Spannungsverlauf und in sammen, weil ja die Schaltung noch kurzgeschlossen F i g. 4 der Stromverlauf an der Serienschaltung aufist, und der Signalimpuls ist so unwirksam für die getragen. Die Hinterflanken 36 des Stromimpulses Steuerung, oder der Kurzschluß wird noch vollkom- sind sehr steil; beim minimalen Haltestrom — durch mener, und der Gleichrichter zieht während des zwei- die gestrichelt gezeichnete Linie in F i g. 4 angedeuten Signalimpulses noch mehr Strom. In beiden Fällen 65 tet — ist die Anordnung bereits nichtleitend. Die wird nicht der Haltestrom erreicht, der notwendig ist, Stromimpulse können an einer Sekundärwicklung 38 um den Sperrzustand zu erreichen; im Gegenteil, es des Transformators abgenommen und zur Steuerung bleibt der leitende Zustand dauernd bestehen. einer Auswertungseinrichtung, z. B. einer Zähl-

einrichtung eines Schrittschaltrelais oder eines Servokreises, benutzt werden.

Nachdem der Kondensator 24 entladen worden ist, wird auch die Diode 18 wieder nichtleitend, und zwar durch die Strombegrenzerwirkung des Widerstandes 20 oder infolge der Stromreduzierung durch die Impulserzeugerschaltung. Der hohe Widerstandswert der Diode und des Widerstandes 26 begrenzen den Strom durch den gesteuerten Gleichrichter 16, so daß dieser nichtleitend wird. Zur gleichen Zeit verursacht der scharfe, nach negativen Werten gehende Impuls gemäß F i g. 3 ein noch schnelleres Sperren der Anordnung, und zwar dadurch, daß eine Spannung umgekehrter Polarität in der Serienschaltung auftritt. Danach wird der Kondensator von neuem über den Widerstand 20 von der Stromquelle wieder geladen, wie durch den Ast 40 der Spannungskurve in F i g. 3 angedeutet ist, und die Periode beginnt aufs neue.

Wenn etwa ein Störimpuls 42 zwischen den gewünschten Antwortimpulsen auftreten sollte, so kann die Diode 18 durch diesen nichtleitend gemacht werden, weil die Ladung des Kondensators 24 noch nicht so weit fortgeschritten ist, daß an der Diode 18 die notwendige Anoden-Emitterspannung ansteht, um einen Durchbruch hervorzurufen, und weil der Widerstand 26 den Haltestrom des gesteuerten Gleichrichters unter dem Minimalpegel hält. So wird während der Aufladung des Kondensators 24 sozusagen eine Totzeit eingeführt, und es ist am Anfang der Periode eine Ausgangsspannung nicht vorhanden. Eine solche tritt erst dann wieder auf, wenn nach der Aufladung auf einen bestimmten Pegel ein gewünschter Steuerimpuls am Steuerorgan 14 anliegt. Eine erhöhte Schaltgeschwindigkeit und damit eine Verkürzung der Verzögerungszeit zwischen Auftreten des Triggerimpulses und des Ausgangsimpulses wird noch durch Einführung einer Mitkopplung erreicht, für die die Spannung an einer weiteren Sekundärwicklung 37 des Transformators abgenommen und über einen Kondensator 44 der Steuerelektrode 14 zugeführt wird. Die Steuerelektrode ist mittels eines Widerstandes 46 nach Masse abgeleitet.

Die Wirkung, die ein Störimpuls auf eine Schaltungsanordnung erzielt, in der der gesteuerte Gleichrichter 16 direkt mit dem Kondensator 24 ohne Zwischenschaltung der Vierschichtdiode 18 verbunden ist, wird in F i g. 3 und 4 durch die gestrichelten Linien 48 bzw. 50 angedeutet. Ein Störimpuls würde nämlich den gesteuerten Gleichrichter 16 leitend machen und so den Kondensator 24 vorzeitig entladen; der gesteuerte Gleichrichter würde aber danach nicht in zuverlässiger Weise wieder gesperrt werden können, weil der Kondensator nicht genügend hoch aufgeladen worden war, um einen genügend hohen Strom zu ziehen und so den leitenden Zustand die erforderliche Zeit aufrechtzuerhalten. Der Einfluß des Begrenzungswiderstandes 20, der ja wegen der gewünschten hohen Frequenz beim alleinigen Vorhandensein des gesteuerten Gleichrichters nicht zu hoch sein darf, reicht aber dann nicht aus, um die Impulserzeugerschaltung in Gang zu setzen. Vielmehr würde die Schaltungsanordnung dauernd im leitenden Zustand verbleiben, und die Auswerteeinrichtung würde nicht betätigt werden. Wenn aber die Vierschichtdiode 18 in der Schaltung vorgesehen ist, wird ein einwandfreier Schaltvorgang erreicht.

Für manche Aufgaben, bei denen negative Steuerimpulse nicht gebraucht werden, kann man auch, wie bereits angedeutet, den Transformator durch einen ohmschen Widerstand ersetzen, der z. B. in Serie zwischen der Diode 34 und dem Minuspol der Stromquelle eingeschaltet ist. Der eine Anschluß des Kondensators wird dann an Masse gelegt. Die an diesem Arbeitswiderstand abzunehmende Nutzspannung hat dann eine etwas andere Kurvenform, als wenn ein Transformator vorgesehen ist.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Getriggerte Impulserzeugerschaltung mit Halbleiterelementen, die Gebiete mit Lawinendurchbruchcharakter aufweisen, insbesondere für Entfernungsmeßeinrichtungen der Funknavigation, mit einem aus Widerstand und Kondensator bestehenden Ladekreis und einem Entladungskreis, in dem auch Mittel (Transformator, ohmscher Arbeitswiderstand) zur Abnahme der erzeugten Impulse eingeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungskreis aus der Serienschaltung einer Vierschichtdiode (18) und eines gesteuerten Siliziumgleichrichters (16) besteht.

2. Impulserzeugerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Entladungskreis zur Störbegrenzung weitere Dioden (32 und 34) eingeschaltet sind.

3. Impulserzeugerschaltung nach Anspruch 2, bei der das Mittel zur Abnahme der erzeugten Impulse ein Transformator ist, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Sekundärwicklung (37) des Transformators eine Mitkopplungsspannung abgenommen und über einen Kondensator (44) der Steuerelektrode (14) des gesteuerten Siliziumgleichrichters (16) zugeleitet wird, an die auch die Triggerspannung angelegt ist.

4. Impulserzeugerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß über einen über der Stromversorgung liegenden Spannungsteiler (Widerstände 20, 26, 28, 30) die Elektroden der Vierschichtdiode (18) und des gesteuerten Siliziumgleichrichters (16) zur Strombegrenzung derart vorgespannt sind, daß der Haltestrom der Vierschichtdiode (18) etwas höher liegt als der des gesteuerten Siliziumgleichrichters (16).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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