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Schaltungsanordnung zur automatischen Heizspannungsregelung einer
Elektronenstrahlröhre Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur automatischen
Heizspannungsregelung einer Elektronenstrahlröhre - - insbesondere einer im Betrieb
dem Rückheizeffekt unterworfenen Mikrowellenröhre - in Abhängigkeit von deren mittlerem
Anodenstrom.
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Die Heizspannung bzw. der Heizstrom von im Laufzeitbereich arbeitenden
Mikrowellenröhren, beispielsweise von Scheibentrioden, von Magnetronen und auch
von hochbelasteten Leistungsröhren im niedrigeren Frequenzbereich, muß wegen des
bei diesen Röhren im Betrieb grundsätzlich auftretenden bekannten Rückheizeffektes
gemäß den vom jeweiligen Röhrenhersteller üblicherweise zu jedem Röhrentyp angegebenen
Vorschrift reduziert werden. Diese Reduktion kann stufenförmig, linear oder nach
einer bestimmten Funktion erfolgen; sie kann bis auf Null gehen.
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Zur derartigen Heizspannungsreduzierung sind Schaltungsanordnungen
unter Verwendung von elektromechanischen Relais bekannt, die beispielsweise bei
Einschaltung der Röhren-Anodenspannung zur Einschaltung von Vorwiderständen in deren
Heizkreis dienen oder die Anzapfung von Wicklungen des Heiztransformators bewirken.
Relais sind jedoch wegen ihrer mechanischen Kontakte als Verschleißteile anzusehen,
die einer regelmäßigen Wartung und relativ häufigen Ersatzes bedürfen.
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Diese Nachteile wirken sich besonders störend aus, wenn die Heizspannungsreduzierung
bzw. Heizspannungsumschaltung häufig vorgenommen werden muß, da dann die Betriebssicherheit
der die rückgeheizten Röhren enthaltenden Gesamtanlage in starkem Maße gefährdet
ist. Ein solches häufiges Umschalten der Heizspannung ist bei intermittierend betriebenen
Anlagen oder auch beispielsweise bei Sendern erforderlich, die abwechselnd mit verschiedenen
Sendeleistungen arbeiten sollen.
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So ergab sich bei Impulsradargeräten mit im Azimut umlaufender Richtcharakteristik
der Antenne die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung, eine Abstrahlung
der Sendeleistung nur in einem bestimmten Winkelbereich vorzunehmen, d. h. eine
Sektortastung durchzuführen und/oder als Funktion der Zeit die Größe der Sendeleistung
zu variieren, beispielsweise durch Veränderung der Impulsfolgefrequenz oder der
Impulslänge. Die Lösung dieser Aufgabe mittels üblicher Methoden würde die aus obig
erläuterten Gründen nachteilige Anordnungen mehrerer Relais und sehr häufiges Spiel
dieser Relais erfordern. Die zur Lösung dieser Aufgabe unter Vermeidung der erwähnten
Nachteile vorgeschlagene Schaltungsanordnung zur automatischen Heizspannungsregelung
einer Elektronenstrahlröhre in Abhängigkeit von deren mittlerem Anodenstrom ist
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß im Heizkreis der Elektronenstrahlröhre
ein mittels eines Regelstromes elektronisch regelbarer Serienwiderstand eingeschaltet
ist, daß zur Erzeugung des Regelstromes eine Vergleichsstufe mit einem ersten und
einem zweiten Eingang vorgesehen ist und daß an den ersten Eingang eine Bezugsspannungsquelle
und an den zweiten Eingang ein Widerstandsnetzwerk angeschlossen ist, dessen Ausgangsspannung
kombiniert vom Anodenstrom und von der an der Elektronenröhre liegenden Heizspannung
abhängt.
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Selbstverständlich kann an Stelle eines Serienwiderstandes auch ein
elektrisch regelbarer Parallelwiderstand im Heizkreis vorgesehen werden; wegen des
besseren Gesamtwirkungsgrades ist jedoch der Serienwiderstand vorzuziehen. Auch
kann an Stelle einer Heizspannungsregelung eine Heizstromregelung erfolgen; praktische
Versuche haben jedoch ergeben, daß eine Heizspannungsregelung bei rückgeheizten
Röhren vorteilhafter durchführbar ist, so daß im folgenden lediglich auf die Heizspannungsregelung
Bezug genommen ist, ohne daß eine Einschränkung der Erfindung auf diese Art der
Regelung erfolgt.
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Im folgenden seien bevorzugte Ausführungsbeispiele von Schaltungsanordnungen
nach der Erfindung zu deren näheren Erläuterung im einzelnen beschrieben. Hierbei
zeigt F i g. 1 ein Spannungs-Strom-Diagramm zur näheren Erläuterung der der Erfindung
zugrunde liegenden
Aufgabe und der mit Beispielen erfindungsgemäßer
Anordnungen erreichbaren Ergebnisse; F i g. 2 ein vereinfachtes Schaltbild eines
vorteilhaften Ausführungsbeispiels einer Anordnung nach der Erfindung, F i g. 3
ein detailliertes Prinzipschaltbild eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels einer
Anordnung nach der Erfindung und F i g. 4 in Verbindung mit dem linken Teil der
F i g. 3 ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer Anordnung nach der
Erfindung.
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In F i g. 1 ist mit 1 als Beispiel eine vom Röhrenhersteller zum Magnetron
des Typs 2 J 51 angegebene Kurve bezeichnet, die die Abhängigkeit der vorgeschriebenen
Heizspannung U (Volt) in Abhängigkeit vom mittleren Anodenstrom I (mA) wiedergibt.
Diese Funktion ist somit die Sollfunktion der Heizspannung in Abhängigkeit vom Anodenstrom
und muß vom Röhrenbenutzer im Interesse einer langen Lebensdauer der verwendeten
Röhre möglichst genau beachtet werden.
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Üblicherweise werden Mikrowellenröhren, ins: besondere Magnetrone,
mit Gleichspannung geheizt, da die Anwendung von Wechselspannung bei der Heizung
die Gefahr mechanischer Kathodenschwingungen und damit eine unerwünschte Frequenzmodulation
der Ausgangssignale der Röhre mit sich bringt. Da die Spannung an einem Magnetron
sich bei verschiedenen Anodenströmen nicht wesentlich ändert, kann der Anodenstrom
als der Leistung proportional angenommen werden.
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In F i g. 2 ist mit 2 ein eine Gleichspannung abgebender Heizspannungsgenerator
für ein Magnetron 3 bezeichnet, dessen Anode wie üblich auf Massepotential liegt.
Erfindungsgemäß ist in dem Heizkreis des Magnetrons 3 der elektronisch regelbare
Widerstand 4 in Serienschaltung eingeschaltet, und es ist zur Regelung dieses Serienwiderstandes
4 eine Vergleichsschaltung 5 mit zwei Eingängen vorgesehen, an deren einem Eingang
eine Bezugsspannungsquelle 6 und an deren anderem Eingang der Teilerpunkt eines
Widerstandsnetzwerkes, bestehend aus den Widerständen 7, 47 und
8, liegt, das einerseits von der Heizspannung und andererseits vom Anodenstrom
des Magnetrons 3 beaufschlagt wird. Mit 9 ist der Impulstransformator für das Magnetroh
3 bezeichnet, über den dem Magnetroh die Impulseingangsleistung zugeführt wird.
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F i g. 3 zeigt in einem detaillierten Prinzipschaltbild ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel einer Anordnung nach der Erfindung, die im wesentlichen nach
dem gleichen Prinzip wie die in F i g. 2 gezeigte Anordnung arbeitet. Der Gleichspannungsgenerator
2 besteht hierbei aus einem Wechselstromgenerator 10, beispielsweise einer Spannungsquelle
von 115 V bei 400 Hz, einem Transformator 11 mit drei Sekundärwicklungen
12,13 bzw.14, drei Gleichrichterbrücken 15,16 bzw.17 und Siebkondensatoren 18,19
bzw. 20, an denen die Gleichspannungen U1, U2 bzw. U3 von beispielsweise 5,10 bzw.12,5
V auftreten, die an den Gleichrichterbrücken angetragen sind.
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An den Kondensatoren 18, 19 und 20 sowie an den im folgenden beschriebenen
Bauelementen eingetragene Größen- bzw. Typenhinweise sollen lediglich einen Hinweis
auf ein in der Praxis besonders bewährtes Ausführungsbeispiel der Erfindung geben,
ohne eine Einschränkung der Erfindung auf diese angegebenen Dimensionierungen darzustellen.
Der regelbare Serienwiderstand 4 bei der Anordnung nach F i g. 2 wird bei der Anordnung
nach F i g. 3 durch den Leistungstransistor 21 realisiert, der vom Heizstrom des
Magnetrons durchflossen wird. Bei maximalem Heizstrom des Magnetrons 3 von etwa
1 A beträgt der Basisstrom des Transistors 21 größenordnungsmäßig 35 mA, so daß
eine Stromvorverstärkung zweckmäßig ist. Hierzu ist der Transistor22 vorgesehen;
an dessen Basis mit etwa 0,2mA bis 10 l,A der gesamte erforderliche Heizspannungsregelbereich
für das Magnetron 3 überstrichen werden kann. Die Funktion der Vergleichsschaltung
5 bei der Anordnung nach F i g. 2 übernimmt bei der Anordnung nach F i g. 3 die
Stufe mit dem Transistor 23, dessen Kollektor über den Widerstand 24 an eine Hilfsspannung
geführt ist, welche auf die geregelte Heizspannung bezogen ist, so daß als Spannungsunterschied
am Widerstand 24 nur die Summe der Steuerspannungsdifferenzen der Transistoren 21
und 22 von annähernd 0,2 V aufzubringen ist, während die beiden Grenzwerte der Heizspannung
an den Klemmen A und B 8,2 V und 0 V betragen.
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Da der Kollektorstrom eines Transistors praktisch kollektorspannungsunabhängig
ist und zur Überstreichung des gesamten Heizspannungsregelbereiches nur eine sehr
geringe Kollektorstromänderung des Transistors 23 von im Beispiel 0,8 bis 0,86 mA
erforderlich ist, ist mit einer einzigen Transistorstufe unter Verwendung des Transistors
23 als Vergleichsschaltung eine ausreichende Heizspannungsregelung durchführbar.
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Die den Emitter- und Basisanschlüssen des Transistors 23 zugeführten
Eingangsgrößen und damit die an diese Eingänge angeschlossenen Schaltungen bestimmen
die Regelcharakteristik der Anordnung nach F i g. 3. Grundsätzlich wird hierbei
eine stabilisierte Spannung im Transistor 23 mit einem Eingangswert verglichen,
welcher aus der Heizspannung am Magnetron (proportional der Spannung zwischen den
Klemmen A und B) und einem durch den Magnetronstrom verursachten Spannungsabfall
gewonnen wird. Als Bezugsspannungsquelle ist bei der Anordnung nach F i g. 3 eine
Zenerdiodenschaltung mit der Zenerdiode 25 und dem Vorwiderstand 26 vorgesehen,
mittels derer die Spannung U3 auf die stabilisierte Spannung U4 reduziert wird.
Der Emitter des Transistors 23 ist an die Spannung U4 über den Spannungsteiler mit
den Widerständen 27 und 28 angeschlossen. Diese Art der Beaufschlagung des Emitters
des Transistors 23 ist besonders zweckmäßig, da das Emitterpotential des Transistors
23 um einen vorgegebenen stabilisierten Wert gegen das Potential an der Klemme B
hierdurch positiv verschoben wird, um die Spannung zwischen den Klemmen
A und B vollkommen auf Null herabregeln zu können.
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Bei der Anordnung nach F i g. 3 erfolgt eine Proportionalregelung,
da die Heizspannung des Magnetrons 3 und die durch den Magnetronstrom über den Widerständen
29 und 30- abfallende Spannungen in Reihe geschaltet sind und die Summe dieser Spannungen
konstant gehalten wird. Mit 31 und 32 sind die Vorwiderstände des Basiseinganges
des Transistors 23 bezeichnet. Die Kondensatoren 33 und 34 dienen lediglich der
Nachsiebung.
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Bei der in F i g. 3 gezeigten Dimensionierung der einzelnen Bauelemente
und Wahl der entsprechenden Typen ergibt sich eine Abhängigkeit der Magnetron
-Heizspannung
vom Magnetronanodenstrom nach Kurve 35 in F i g. 1, die von der Soll-Kurve, d. h.
der Kurve 1 in F i g. 1, noch für viele Fälle zu stark abweicht.
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Eine bessere Übereinstimmung der Ist-Kurve mit der Soll-Kurve 1 nach
F i g. 1 ergibt sich bei der Weiterbildung der Erfindung nach F i g. 4, die in Verbindung
mit dem linken Teil der F i g. 3 zu betrachten ist, wobei die gestrichelte Linie
36 die F i g. 3 in den linken und rechten Teil trennt.
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Bei der Anordnung nach F i g. 4 wird die Spannung an der Basis des
Transistors 23 im wesentlichen durch den Querstrom zweier Spannungsteiler bestimmt,
und zwar einmal durch den Strom durch die Diode 37 und die dazu in Serie liegenden
Widerstände 38, 39 und 40 und zum anderen durch den Strom durch die in Serie liegenden
Widerstände 40, 39 und 41. Solange das Potential an der Klemme D, d. h. am positiven
Anschluß der Diode 37, negativer ist als am Punkt F, d. h. am positiven Anschluß
der Diode 42, bestimmt nur der Strom des Strompfades durch die Widerstände 40, 39
und 41 die Regelung, während der Strom des Strompfades durch die Widerstände 38,
39 und 40 sowie durch die Diode 37 stark gegenkoppelnd wirkt, so daß die Regelkurve
abgeflacht wird, was dem Teil der Kurve 43 im Bereich des Anodenstromes zwischen
0 und 7 mA entspricht.
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Wenn kein Magnetronstrom fließt, ist das Potential am PunktF gleich
demjenigen an der KlemmeA. Erzeugt der Magnetronstrom an den Widerständen
44, 45 und 46 einen Spannungsabfall, der gleich ist der Potentialdifferenz
zwischen den KlemmenA und und D, so hört die Diode 37 zu leiten auf, und die Diode
42 übernimmt den Strom durch den Widerstand 38. In diesem Fall sind die Widerstände
38 und 41 parallel geschaltet, so daß durch die Änderung des Spannungsteilerverhältnisses
in bezug auf die Basis des Transistors 23 und durch den Wegfall der gegenkoppelnden
Wirkung des Stromes durch die Diode 37 und die Widerstände 38, 39 und 40 die Regelsteilheit
wesentlich größer wird, was dem Kurvenanteil der Kurve 43 in F i g. 1 im Anodenstrombereich
zwischen 7 und 15 mA entspricht.