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Vorrichtung zur Anzeige von elektrischen Strom und Spannungsstößen
Die Erfindung bezieht sich auf Anzeigevorrichtungen für elektrische Strom- und Spannungsstöße
und insbesondere auf Anzeigevorrichtungen mit Halbleitern.
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Bei elektrischen Anordnungen mit Halbleitern und anderen Bauelementen,
die mit Nennspannung betrieben werden, ist es erforderlich, das Auftreten von Stößen
anzuzeigen, deren Größe die Neunspan nung der Bauelemente übersteigt, damit das
Auftreten derartiger Stöße verhindert oder die Anordnung in der Weise noch einmal
ausgelegt wird, daß sie diesen höheren Werten angepaßt wird, so daß die Gefahr einer
Beschädigung der einzelnen Bauelemente vermieden wird.
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Derartige Spannungsstöße können eine Dauer von weniger als einer
Mikrosekunde haben, und ihre Anzeige und Messung mit einem Oszillographen kann sich
infolgedessen schwierig und unzuverlässig gestalten. Zur Anzeige von Stößen so kurzer
Dauer können gasgefüllte Triggerröhren verwendet werden.
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Die Triggerwelle dieser Röhren ist aber abhängig von der Dauer des
Stoßes, die Eichung des Detektors ist schwierig, und die erzielten Ergebnisse sind
unzuverlässig. Eine aus Transistoren aufgebaute Multivibratorschaltung kann ebenfalls
zur Anzeige von Strom- und Spannungsstößen mit einer Dauer in der angegebenen Größenordnung
verwendet und so ausgelegt werden, daß sie von einem Zustand in den anderen geschaltet
wird, wenn ein Spannungsstoß bestimmter Größe auftritt. Dabei wird aber die Ansprechgeschwindigkelt
einer derartigen Anordnung durch die Transistoren begrenzt, und eine Pufferstufe,
die zur Potentialtrennung des Eingangs vom Multivibrator erforderlich ist, verringert
zusätzlich die Ansprechempfindlichkeit gegenüber schmalen Impulsen oder Stößen kurzer
Dauer.
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Es sind zwar sogenannte Spitzenspannungsmesser bekannt, die den Maximalwert
periodischer Wechselspannungen messen, diese sind aber nicht zur Messung oder Anzeige
sehr kurzer einmaliger Nadelimpulse geeignet, da sie nach dem Prinzip der Aufladung
von Kondensatoren über Gleichrichter arbeiten. Die Kondensatoren wären für sehr
kurze Nadelimpulse einerseits praktisch ein Kurzschluß, andererseits würden sie
sich bei einmaligen Impulsen auch gleich danach wieder entladen, so daß die Ladung
eines Kondensators nicht für eine längere, dem Auge sichtbare Anzeige herangezogen
werden kann.
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Vorliegende Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung, die u. a.
Stromimpulse oder -stöße einfach anzeigen kann, deren Amplitude gleich oder kleiner
als
100 Mikroampere sein kann und deren Dauer bis zu einigen Nanosekunden beträgt.
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Zur Triggerung derart kurzer Nadelimpulse bietet sich dagegen die
Tunneldiode an, da sie bekanntlich ein sehr schnell schaltendes Bauelement ist und
bekanntlich als Schwing- und Kippschaltung, so auch als bistabile Kippschaltung,
betrieben werden kann, je nach Bemessung des Arbeitswiderstandes. Schon mit Hilfe
einer einzigen Transistorstufe kann das verhältnismäßig niedrige Signalniveau ausreichend
verstärkt werden.
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Gemäß der Erfindung ist eine Anzeigevorrichtung für Strom- und Spannungsstöße
verschiedener Polarität mit einer Gleichrichtereingangsschaltung und nachfolgendem
Gleichspannungsverstärker dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärker ein normalerweise
nicht stromleitender Transistor in einer an sich bekannten, eine Tunneldiode aufweisenden
Basis-Emitter-Schaltung dient, und daß das Anzeige-und/oder Meßinstrument auf den
Emitter-Kollektor-Strom anspricht, wobei die Gleichrichtereingangsschaltung den
Durchgang der eingehenden Spannungsstöße verschiedener Polarität zu den entsprechenden
Seiten der Tunneldiode ermöglicht.
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Die Anzeige- und/oder Meßvorrichtung kann in den Kollektor- oder
Emitterkreis des Transistors eingeschaltet werden.
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Die Gleichrichtereingangsschaltung kann einfach aus zwei entgegengesetzt
gepolten Einweggleichrichtern bestehen, die den Strom von einer Eingangsklemme des
Eingangskreises, dem Stöße entgegengesetzter Polarität zugeführt werden, auf die
entgegengesetzten Seiten der Tunneldiode leiten. Eine derartige Anzeigevorrichtung
dient zweckmäßigerweise zur Anzeige von Strom- und Spannungsstößen einer Polarität.
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Eine Anzeigevorrichtung für Strom- und Spannungsstöße beider Polaritäten
läßt sich dadurch ausbilden, daß die Gleichrichtereingangsschaltung als Brückenschaltung
aufgebaut und ausgangsseitig zur Tunneldiode geschaltet wird, so daß stets gleiche
Polaritäten entsprechenden Seiten der Tunneldiode zugeführt werden, unabhängig von
den Polaritäten an den Eingangsklemmen der Brückenschaltung.
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Die vorerwähnte Anzeigevorrichtung kann statt einer Tunneldiode mehrere
in Reihe geschaltete Tunneldioden im Basis-Emitter-Kreis des Transistors aufweisen,
so daß-die Größe der ankommenden Stöße in Abhängigkeit von der Minderung des Zustands
eine oder mehrere dieser Tunneldioden angezeigt und geniessen werden können. Wenn
mehrere Tunneldioden verwendet werden, damit eine Größenunterscheidung möglich ist,
wird der Eingangskreis des Detektors parallel zu allen Dioden gelegt.
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Im folgenden wird an Hand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung
in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Anzeige von Spannungs- oder Stromstößen
einer Polarität; E i g. 2 ist ein Diagramm, das unter anderem die Strom-Spannungs-Kennlinien
der Tunneldiode und des Transistors nach Fig. 1 darstellt; Fig. 3 zeigt eine Anzeigevorrichtung
ähnlich der nach Fig. 1, bei der jedoch eine Eingangsschaltung so ausgelegt ist,
daß sich sowohl negative als auch positive Spannungsstöße anzeigen lassen; Fig.
4 ist eine Anzeigevorrichtung ähnlich der nach Fig. 1, bei der mehrere Tunneldioden
zur Feststellung der Größe der der Eingangsschaltung zugeführten Stöße dient; Fig.
5 stellt eine Anzeigevorrichtung ähnlich der nach Fi g. 3 dar, bei der mehrere Tunneldioden
zur Feststellung der Größe der ankommenden Stöße vorgesehen sind; Fig. 6 ist eine
Anzeigevorrichtung ähnlich der nach F i g. 5, bei der die Vorspannung für die Basis
des Transistors von einer Parallelschaltung aus Kondensator und Zenerdiode abgenommen
wird.
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Die Anzeigevorrichtung nach F i g. 1 enthält einen Transistor T1,
dessen Emitter über ein auf Strom ansprechendes Instrument M an positives-und dessen
Kollektor an negatives Potential gelegt ist. Der Emitter T1 ist mit der Basis des
Transistors über eine Tunneldiode TD verbunden, die so gepolt ist, daß sie in Richtung
auf die Basis stromleitend ist.
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Die Basis des Transistors und die Tunneldiode sind über einen Widerstand
R 1. an den negativen Pol einer Spannungsquelle gelegt, die die Diode und den Transistor
vorspannt. Parallel zur Tunneldiode TD liegt eine Eingangs schaltung der Anzeigevorrichtung,
die einen WiderstandR2 aufweist, der mit einem Anschluß. an einer Eingangsklemme
11 und mit dem anderen Anschluß an den Verbindungspunkt zweier in Reihe geschalteter
Gleichrichter D 1 und D 2 an-
geschlossen ist, die antiparallel: zur -Tunneldiode
TD geschaltet sind. Eine weitere Eingangsklemme 12 ist mit dem Emitter des Transistors
T 1 verbunden.
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In Fi g. 2 sind die Kennlinie der Tunneldiode TD, die Transistoreingangskennlinie
und gestrichelt die aus der Überlagerung beider resultierender Kennlinien gezeigt.
Die Schnittpunkte A und B der durch den Widerstand R 1 bestimmten Arbeitsgerade
mit der resultierenden Kennlinie ergeben die beiden stabilen Zustände die Schaltung.
Aus Fig. 2 ersieht man, daß eine Erhöhung der an die Tunneldiode gelegten Spannung
über den Punkt P hinaus bewirkt, daß die Schaltung instabil wird und von einem staeilen
Zustand (Punkt A) in den anderen Zustand (Punkt B) übergeht. Wenn der Detektor eingeschaltet
wird, nimmt er den stabilen Zustand ein, der durch den Punkt A dargestellt wird.
Beim Auftreten eines ausreichend großen negativen Spannungsstoßes an der Eingangsklemme
11 wird das Potential an der Tunneldiode TD auf Grund der Zuführung eines negativen
Potentials über den Gleichrichter D 1 erhöht, und der Strom, der in der Tunneldiode
der Basis-Emitter-Schaltung des Transistors fließt, nimmt nach einer kleinen Anfangs
erhöhung 1T entsprechend ab, so daß die Basis des Transistors gegenüber dem Emitter
des Transistors negativer wird und damit der Transistor T1 leitend wird. Der Kollektorstrom
dieses Transistors betätigt dann eine den Strom an= zeigende Vorrichtung M, deren
Zeiger somit das Auftreten eines gegenüber 12 negativen Stoßes an der Eingangsklemme
11 erzeugt. Wenn dagegen ein positiver Impuls oder Stoß an die Klemme 11 der Detektoreingangsschaltung
gegeben wird, fließt Strom durch den Widerstand R 2 und den NebenschlußgleichrichterD2,
aber die Spannung an der Tunneldiode TD bleibt unverändert, so daß der Transistor
T1 im nichtleitenden Zustand bleibt. Damit ergibt sich, daß die in Verbindung mit
den Fig. 1 und 2 beschriebene Anzeigevorrichtung nur negative Spannungsstöße anzeigt.
Aus F i g. 2 läßt sich entnehmen, daß nur eine kleine Erhöhung des Stromes (1T)
durch die Tunneldiode TD erforderlich ist, um sie zu schalten. Infolgedessen kann
der Eingangswiderstand R 2 verhältnismäßig hochohmig sein, was zur Anzeige sehr
hoher Spannungsstöße vorteilhaft ist. Der Wert von R2, der zum Schalten des Stromkreises
mit einer Eingangsspannung V erforderlich ist, ergibt sich sichzuR2 TT In Fig. 3
ist eine Anzeigevorrichtung gezeigt, die sowohl positive als auch negative Spannungsstöße
anzeigen kann. Um dies zu erreichen, weist die Eingangsschaltung die Form einer
Brückenschaltung auf. Die Eingangsklemme 11 und 12 dieser Brückenschaltung sind
die Eingangsklemmen der Anzeigevorrichtung. Ihre Ausgangsklemmen sind mit den entsprechenden
Seiten der Tunneldiode TD verbunden. Die Brückenzweige in der Nähe der Eingangsklemmel2
werden durch Gleichrichter D 2 und D 3 dargestellt, die auf die Klemme zu und von
dieser weg stromleitend sind, während die beiden Brückenzweige in der Nähe der Eingangsklemme
11 durch die Widerstände R 2 und R 3 gebildet werden. Die negative Ausgangsklemme
der Brücke ist über den Gleichrichter D 1 mit der Kathode der Tunneldiode TD und
der Basis des Transistors T1 verbunden, während die positive Ausgangsklemme der
Brücke mit der Anode der Tunneldiode und dem Emitter
des Transistors
T1 verbunden ist. Damit kann ein negativer Spannungsstoß, der den Eingangsklemmen
11 und 12 td. h. 11 negativ) zugeführt wird, die Spannung an der Tunneldiode TD
über den Kipppunkt P erhöhen, woraufhin die Spannung bei gegeringfügiger Abnahme
des Stromes durch diese Tunneldiode - nach einer anfänglichen Erhöhung um den Wert
1T - von selbst bis auf den Wert des stabilen Punktes B ansteigt und dabei den Transistor
T1 an der Basis durchsteuert. Der Anschlag des auf Strom ansprechenden Instrumentes
M im Kollektorkreis des Transistors zeigt dann das Vorhandensein des negativen Stoßes
an. In üblicher Weise wird, wenn ein positiver Stoß an den Eingangsklemmen 11 und
12 (d. h. 11 positiv) erscheint, ein negatives Potential durch den Gleichrichter
D 1 auf die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand R 1 und der Tunneldiode TD
geleitet, so daß der Transistor T 1 auch in diesem Falle stromleitend und mit Hilfe
des Instrumentes M das Auftreten eines positiven Stoßes an der Eingangsschaltung
angezeigt wird.
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Fig.4 zeigt eine Strom- oder Spannungsstoßanzeigevorrichtung, die
ähnlich der in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung ist, bei der jedoch
mehrere Tunneldioden TD in der Basis-Emitter-Schaltung des Transistors T 1 in Reihe
geschaltet sind und ein Strombegrenzerwiderstand R4 vor die Basis geschaltet ist.
Wie im Falle der -Anzeigevorrichtung nach F i g. 1 können auch hier nur negative
Spannungsstöße angezeigt werden. Werden mehrere Tunneldioden in dem Beispiel vorgesehen,
so kann die Größe der negativen Spannungsstöße, die dieser Eingangsschaltung zugeführt
werden, festgestellt werden, und zwar folgendermaßen: Im Ruhezustand der Vorrichtung
nehmen die Tunneldioden TD den durch den Punkt A dargestellten Zustand auf der in
Fig. 2 gezeigten Kurve ein. Wird ein negativer Stoß der Eingangsklemme 11 zugeführt,
so ändern eine oder mehrere Tunneldioden ihren Zustand von Punkt A nach Punkt B
auf der Kennlinie.
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Wenn die erste Tunneldiode ihren Zustand ändert, wird der Vorspannstrom,
der R 1 und die Tunneldioden durchfließt, verringert. Der Eingangsstrom, der erforderlich
ist, um die nächste Tunneldiode vom Zustand A in den Zustand B zu schalten, ist
höher als der, der die erste Diode geschaltet hat. Da also alle Tunneldioden nacheinander
ihren Zustand ändern, ist ein immer höherer Eingangs strom erforderlich, damit eine
weitere Tunneldiode ihren Zustand ändert. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, wird jedesmal,
wenn eine Tunneldiode TD schaltet, der Punkt A auf den Nullpunkt zu bewegt, wodurch
der Strom, der zur Schaltung der nächsten Diode erforderlich ist, um IT vergrößert
wird. Dadurch läßt sich erreichen, daß mit jeder Erhöhung der Eingangsspannung (z.B.
in Stufen von 1000Volt) eine weitere Tunneldiode ihren Zustand ändert, wobei das
Instru ment M so geeicht ist, daß die Größe der Eingangsstöße stufenweise festgestellt
werden kann. Die Vorspannung (- V 1) kann von einer Zenerdiode mit einem parallelgeschalteten
Kondensator abgenommen werden.
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Fig. 5 zeigt eine Anzeigevorrichtung für Spannungs- oder Stromstöße,
bei der mehrere Tunneldioden verwendet werden, die in Reihe in der Basis-Emitter-Schaltung
des Transistors T1 zur Feststellung der Größe der Stöße vorgesehen werden, die der
Eingangsschaltung, wie in Verbindung mit Fig. 4
beschrieben, zugeführt werden, wobei
die Basis des Transistors über einen Widerstand R 1 von einer Spannungsquelle mit
etwa konstantem Potential - V 1 vorgespannt wird. Die Eingangsschaltung dieser Anzeigevorrichtung
hat die Form einer Gleichrichterbrückenschaltung, wie sie weiter oben in Verbindung
mit F i g. 3 beschrieben ist, so daß die negative Ausgangsklemme der Brücke mit
der Kathode des Gleichrichters D 1 verbunden ist, während die positive Klemme der
Gleichrichterbrücke an den Emitter des Transistors T 1 angeschlossen ist. Somit
liegt die Gleichrichterbrücke parallel zu den in Reihe geschalteten Tunneldioden.
Bei den Ausführungsbeispielen der F i g. 4 und 5 sind die Änderungen in der Spannung
und im Strom an der StelleP (F i g. 2) zwischen den Tunneldioden so groß, daß die
Folge eindeutig bestimmt wird, in der die Dioden geschaltet werden.
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Die Schaltungen können durch Unterbrechung der Einspeisung V1 oder
durch Kurzschließen der Tunneldioden »rückgesetzt«, d. h. in den Ausgangszustand
zurückgekippt werden.
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Nimmt man an, daß der Basisstrom des Transistors vernachlässigbar
klein im Vergleich zu 1T ist, lassen sich die Werte der Vorspannung V 1 und des
Widerstandes R 1 wie folgt berechnen.
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R1 VB - VA (1) 1T und V1=R1Ip+ (N f 1)VA VB. (2) Mit VA = Spannung
jeder Tunneldiode im Zustand A, VB = Spannung jeder Tunneldiode im Zustand B, 1T
= Stromintervall zwischen dem Schalten der Tunneldiode, Lp = Spitzenstrom der Tunneldiode
(Punkt B in F i g. 2), N = Anzahl der in Reihe geschalteten Tunneldioden.
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Die in F i g. 6 gezeigte Anzeigevorrichtung ist ähnlich der in F
i g. 5 gezeigten, nur, daß die Vorspannung - V 1, die über den Widerstand R1 in
F i g. 5 geschaltet ist, aus einer Parallelschaltung vom Kondensator C 1 und ZenerdiodeZ
abgenommen wird, die am einen Ende mit der Verbindungsstelle des Widerstandes R
1 und einem weiteren Widerstand:1? 6 verbunden ist und am anderen Ende an den Emitter
des Transistors T 1 gelegt ist. Die Kollektor-Emitter-Schaltung des Transistors
weist eine BatterieB und einen Schalter S auf, und das Meßgerät M in der Kollektorschaltung
kann so geeicht sein, daß von 0 bis 5000 Volt in fünf Stufen abgelesen werden kann,
so daß der Meßgerätezeiger jedesmal um einen Schritt vorrückt, wenn nachfolgende
Tunneldioden geschaltet werden. Damit ist eine Amplitudenunterscheidung der Spannungsstöße
beliebiger Polarität gewährleistet.
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In allen beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das auf Strom ansprechende
Instrument M im Kollektorkreis des Transistors T 1 vorgesehen. Dieses Instrument
kann vorteilhafterweise in den Emitterkreis des Transistors T 1 statt in den Kollektorkreis
gelegt werden, so daß er als Emitterfolger arbeitet.
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Diese andere Art der Schaltanordnung des Transistors T 1 erhöht die
Eingangsimpedanz des Transistorsstors, so daß die Belastung der vorausgehenden Diode
verringert wird und die Transistorstufe auf Parameteränderungen auf Grund von Temperaturänderungen
weniger empfindlich ist.
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Jede Änderung der Stromverstärkung zwischen einem und einem weiteren
Transistor, wenn zwei oder mehr Transistorstufen verwendet werden, erzeugt einen
löschenden kückkopplungsstrom zur Basis, während jede Änderung des Ableitstromes
zwischen Kollektor und Emitter des Transistors T1 auf Grund von Temperaturänderungen
eine Vorspannung erzeugt, die die Änderung des Ableitstromes löscht.
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In den in den Zeichnuntgen dargestellten Ausfiihrungsbeispielen ist
der Transistor T1 ein pnp-Transistor, er kann jedoch ebensogut ein npn-Transistor
sein, wobei dann die'Dioden und die elektrischen Polaritäten vertauscht werden.