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Die Erfindung bezieht sich auf einen Sägezahn- Sägezahngenerator generator
für Geräte und Einrichtungen der elektrischen Meß- und Datenverarbeitungstechnik.
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Sägezahngeneratoren können in einfachster Form mittels eines Umladespeichers,
vorzugsweise eines Kondensators, und einer Glimmlampe realisiert werden. Hierbei
wird der Kondensator über eine Betriebsgleichspannungsquelle mit hohem Innenwiderstand
wenigstens annähernd linear aufgeladen und von der ihm parallelgeschalteten Glimmlampe
bei Erreichen ihrer Zündspannung schlagartig entladen. Zur Verbesserung der Linearität
der Anstiegsflanke des mit einer solchen Schaltung zu erzeugenden Sägezahns ist
es bereits bekannt, den Ladekondensator von einer Betriebsgleichspannungsquelle
über die Reihenschaltung eines Widerstandes und einer Induktivität aufzuladen und
seine Entladung durch ein dem Ladekondensator über eine weitere Induktivität parallelgeschaltetes
Thyratron vorzunehmen. Die Induktivitäten im Lade- und Entladekreis sind dabei so
stark unterschiedlich bemessen, daß die Eigenresonanz des Entladekreises sehr viel
größer als die Eigenresonanz des Ladekreises ist. Die am Ladekondensator abgenommene
Sägezahnspannung wird mit anderen Worten bei dieser bekannten Schaltung dadurch
erreicht, daß während der Aufladephase die tiefe Eigenresonanz des Ladekreises im
Sinn eines linearen Anstieges der Spannung am Ladekondensator wirksam ist, während
die hohe Eigenresonanz des Entladekreises mit Zünden des Thyratrons über eine halbe
Schwingungsperiode hinweg die Rückumladung des Ladekondensators vornimmt und damit
die Rückflanke der sägezahnförinigen Spannung erzeugt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Sägezahngeneratorschaltung
anzugeben, die vom Wirkungsprinzip der zuletzt geschilderten Schaltung Gebrauch
macht, jedoch mit einfacheren Mitteln auskommt.
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Ausgehend von einem Sägezahngenerator für Geräte und Einrichtungen
der elektrischen Meß- und Datenverarbeitungstechnik unter Verwendung einer den eigentlichen
Umladespeicher darstellenden Reaktanz, die mittels weiterer hierzu dualer Reaktanzen
zu einem im periodischen Wechsel als Ladekreis mit Energiequelle und als Entladekreis
mit Entladevorrichtung wirksamen Schwingkreis ergänzt ist, bei dem ferner der Schwingkreis
in seiner Eigenschaft als Entladekreis für eine sehr viel höhere Resonanzfrequenz
bemessen ist als in seiner Eigenschaft als Ladekreis und bei dem die Entladevorrichtung
die Wirksamkeit des Schwingkreises als Entladekreis je-
weils für die Dauer
von wenigstens annähernd einer halben Schwingungsperiode bei der in diesem Betriebsfall
gegebenen Resonanzfrequenz festlegt, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß die dualen Reaktanzen, die Entladevorrichtung und die Energiequelle
durch eine von einer impulsförmigen Energiequelle periodisch zwischen zwei oder
mehreren Werten, unter gleichzeitiger Anwendung einer parametrischen Verstärkung
umgesteuerte Reaktanz verwirklicht sind.
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Zweckmäßig erfolgt die Umschaltung auf den Reaktanzwert der Nutzflanke
zu einem Zeitpunkt, in dem die Rücklaufschwingung einen Extremwert der den sägezahnförmigen
Verlauf darstellenden Zustandsgröße des Schwingkreises aufweist.
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Die zur Kompensation der Schwingkreisverluste vorgesehene parametrische
Verstärkung im Zuge der Umschaltung der umsteuerbaren Reaktanz wird vorzugsweise
so bemessen, daß die impulsförmige Energiequelle dem Schwingkreis jeweils zu Beginn
oder während des Sägezahnrücklaufs Energie zuführt.
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Sinnvoll wird die impulsförmige Energiequelle, die die Teile des Schwingkreises
bildende Reaktanz unter gleichzeitiger Anwendung einer parametrischen Verstärkung
umsteuert, mit den Rücklaufphasen synchronisiert. Um ein beliebiges Anwachsen der
Amplitude des Sägezahns bei Anwendung einer parametrischeu Verstärkung zu vermeiden,
sind Mittel vorgesehen, die einen Anstieg der Sägezahnamplitude begrenzen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung besteht die
periodisch umgesteuerte Reaktanz aus der Reihenschaltung einer großen und einer
kleinen, während der Dauer der Nutzflanke von einem Schalter überbrückten Kapazität.
Dabei ist die
kleine Kapazität mit parallel hierzu angeordnetem
gesteuertem Schalter durch eine von der impulsförmigen Energiequelle angesteuerte
Diodenanordnung realisiert, deren Sperrkapazität die kleine Kapazität bildet.
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Die Diodenanordnung kann aus einer Diodenbrücke bestehen, die mit
zwei ihrer diagonal einander gegenüberliegenden Punkten in den Schwingkreis eingeschaltet
und mit ihren anderen beiden diagonal einander gegenüberliegenden Punkten an die
als Ansteuergenerator aufzufassende impulsförmige Energiequelle angeschlossen ist.
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Einfacher ist es noch, wenn die Diodenanordnung aus einer einzelnen
Diode besteht, die mit ihren beiden Anschlußklemmen in den Schwingkreis eingeschaltet
und an die impulsförmige Energiequelle angeschlossen ist.
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Als brauchbar hat es sich erwiesen, als Dioden in der Diodenanordnung
Silizium-Zenerdioden zu verwenden.
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Zweckmäßig gibt die impulsförmige Energiequelle während des Sägezahnrücklaufs
einen Sperrspannungsimpuls und im übrigen eine Durchlaßspannung für die Dioden ab.
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Der Sperrspannungsünpuls ist im Hinblick auf eine recht wirkungsvolle
parametrische Verstärkung für einen schleichenden Anstieg bemessen.
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Die größtmöglich parametrische Verstärkung ergibt sich, wenn der Sperrspannungsimpuls
ein Treppenimpuls ist, der vom Beginn der Rücklaufphase bis zu ihrer Mitte (Schwingkreisstrom
Null) eine kleine Sperrspannung zum öffnen des Diodenschalters aufweist und dann
auf eine große Sperrspannung springt (Pumpvorgang).
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Die Erfindung soll nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten
Figuren noch näher erläutert werden.
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In F i g. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
dargestellt. Eine Induktivität L ist mit Kapazitäten Cp und CN sowie einem
Nutzwiderstand R zu einem Schwingkreis in Reihe geschaltet. Die erfindungsgemäß
in ihrem Reaktanzwert unigesteuerte Reaktanz besteht in der dargestellten Ausführungsform
aus der Reihenschaltung der Kapazitäten CR und CN in Kombination mit dem Schalter
S, der die Kapazität Cp während der Dauer der Nutzflanke des gewünschten
Sägezahns überbrückt. Die Kapazität CN ist um mindestens eine, vorzugsweise mehrere
Größenanordnungen, z. B. um den Faktor 1000, größer als die Kapazität Cp.
Der Nutzwiderstand R, an dem der Schwingkreisstrom eine sägezahnförmige Spannung
entstehen läßt, kann beispielsweise der Eingangswiderstand eines Transistorverstärkers
mit niederohmigem Eingang sein. Er wird zweckmäßig so niedrig wie möglich gehalten,
um die Linearität des entstehenden Sägezahns nicht zu beeinträchtigen.
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In dem Schaltbild der F i g. 1 sind durch das Symbol für eine
gepumpte Reaktanz in der Darstellung von CR Mittel angedeutet, die dem Schwingkreis
während des Sägezahnrücklaufs (Schalter S offen) Energie zuführen. Denkt
man sich den Widerstand R verschwindend klein und den Schwingkreis auch sonst verlustfrei,
so wären solche energiezuführenden Mittel gar nicht erforderlich, sofern dem Schwingkreis
anfänglich einmal eine gewisse Energie erteilt worden ist. Diese einmal vorhandene
Energie würde dann durch die erwähnte Umsteuerung der aus der Reihenschaltung von
Cp und Cv bestehenden Reaktanz abwechselnd schnelle und langsame Schwingungen ausführen,
ohne sich zu verbrauchen.
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Der verlustfreie Fall ist in der Praxis natürlich nicht vollkommen
zu erreichen. Er ist jedoch geeignet die grundsätzliche Wirkungsweise der Erfindung
und insbesondere der Schaltung nach der F i g. 1 deutlicher hervortreten
zu lassen. Die F i g. 2 a bis 2 d sind erläuternde Skizzen im Zusammenhang
mit der Schaltung nach F i g. 1.
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F i g. 2 a zeigt den Verlauf des Schwingkreisstromes, wie er
z. B. in dem verschwindend klein gedachten Widerstand R (F i g. 1) auftritt.
Die Kurve beginnt in einem Zeitpunkt t = 0, in dem der Schalter
S gerade geöffnet worden ist. Damit ist die kleine Kapazität Cp erneut in
den Schwingkreis einbezogen worden. Sie beginnt im Zusammenwirken mit der Induktivität
L und auf Grund der in dieser Induktivität gespeicherten Energie eine schnelle Schwingung
mit derFrequenz
bzw. mit der Resonanzschwingungsdauer
Die Kapazität CN ist gegenüber der Kapazität CR um so viel größer, daß sie an der
Schwingung praktisch nicht teilnimmt. Sie wurde daher in den obengenannten Formeln
nicht berücksichtigt.
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Die erwähnte Schwingung zwischen den Elementen L und CR beginnt bezüglich
des in F i g. 2 a dargestellten Stromverlaufs mit einer horizontalen Tangente,
da die Kapazität C.R zum Zeitpunkt t = 0
ladungsfrei ist, weil sie
vorher kurzgeschlossen war. Der Strom geht zum Zeitpunkt t. durch Null und erreicht
zum Zeitpunkt t. erneut ein Maximum bei umgekehrtem Vorzeichen. Der Verlauf der
Spannung Ue, an der Kapazität CR während der zwischen t # 0 und t
= t2 liegenden Halbperiode der Rücklaufschwingung ist aus F i
g. 2 c zu entnehmen. Er besteht aus einer Sinus-Halbwelle. Wie ferner F i
g. 2 d zeigt, ist währenddessen die Spannung Uc, an der großen Kapazität
Cv im wesentlichen konstant geblieben.
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Zum Zeitpunkt t2 wird der Schalter S wieder geschlossen, wie
in F i g. 2b schematisch angedeutet ist. Hierbei bedeuten auf der Ordinate:z
= Schalter S geschlossen und a = Schalter S offen. Eine
Energie geht dadurch nicht verloren, da die Kapazität Cp, zum Zeitpunkt t. ja gerade
entladen ist. Im folgenden besteht der Schwingkreis, wenn man von dem Widerstand
R absieht, nur noch aus der Parallelschaltung der Induktivität L und der großen
Kapazität CN. Es
beginnt die Phase der Sägezahn-Nutzflanke.
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Zum besseren Verständnis sei zunächst die von der erfindungsgemäßen
Dimensionierung abweichende Annahme gemacht, daß die halbe Dauer der nun einsetzenden
Schwingung
gleich der Dauer A t der Sägezahn-Nutzflanke gewählt wäre.
Der Stromverlauf, der dabei entstehen würde, ist in F i g. 2 a gestrichelt
angedeutet. Er besteht aus einer vollen Cosinus-Halbwelle, geht zum Zeitpunkt tm
durch Null und erreicht zum Zeitpunkt t. sein positives Maximum, wenn sich sämtliche
Energie des Schwingkreises wieder in der Induktivität L befindet.
Es
ist nun ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß von der Dimensionierung abgegangen
ist und statt dessen die halbe Resonanzschwingungs-
dauer
wesentlich größer gewählt ist als die Dauer A t der Sägezahn-Nutzflanke.
Hierdurch wird eine weitgehende Linearisierung des Stromverlaufs zwischen den Zeitpunkten
t. und t. erreicht. Die 14mearität ist um so größer, je größer die Resonanzschwingungsdauer
TN im Verhältnis zur Dauer A t gewählt worden ist. Dabei ist
bemerkenswert, daß der Stromverlauf zwischen den Zeitpunkten t2 und t. nach wie
vor Teil eines Cosinus ist und unverändert zum Zeitpunkt tm einen Wendepunkt besitzt.
Nicht zuletzt hieraus resultiert die besonders hohe Linearität, die durch die Erfindung
erreicht wird. Voraussetzung für diesen mit durchgezogenem Strich in F i
g. 2 a dargestellten Stromverlauf
ist natürlich, daß Einschwingvorgänge abgeklungen sind.
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Wie aus F i g. 2 b hervorgeht, wird der Schalter
S
zum Zeitpunkt t. geöffnet, und es wiederholt sich dann die zu Anfang beschriebene
kurz dauernde Rücklaufschwingung. Es war bereits im Zusammenhang mit F i
g. 1 angedeutet worden, daß dem Schwingkreis durch parametrisches Pumpen
der Kapazität CR Energie zugeführt werden kann. Dies geschieht am wirkungsvollsten
in dem Augenblick tj, in dem gemäß F i g. 2 c die Spannung Uc, an dieser
Kapazität im Zuge der Rücklaufschwingung ein Maximum erreicht. Wenn in diesem Augenblick
der Kapazitätswert plötzlich verkleinert wird, erhöht sich die Spannung Uc, sprunghaft.
Dies ist in F i g. 3 b
dargestellt. Zum Zeitpunkt t. wird die Kapazität CR
.auf ihren alten Wert zurückgestellt.
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F i g. 3 a zeigt den Stromverlauf im Schwingkreis, der sich
einstellt, wenn die Kapazität CR in der beschriebenen Weise während der Rücklaufschwingung
in ihrem Kapazitätswert geändert wird. Die Kapazitätsänderung selbst ist ebenfalls
in Abhängigkeit von der Zeit in F i g. 3 d dargestellt. Zur Zeit t =
0 besitzt die Kapazität CR demnach den Wert CR" und zum Zeitpunkt t, springt
der Kapazitätswert auf den kleineren Wert CR., wobei die Energiezufuhr erfolgt.
Zum Zeitpunkt t2 wird die Kapazität Cg auf ihren ursprünglichen Wert CR, zurückgestellt,
wobei keine Energie ausgetauscht wird, da ja zu diesem Zeitpunkt die Kapazität CR
wieder entladen ist, wie auch aus F i g. 3 b hervorgeht.
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Im Augenblick t2 wird auch der Schalter S wieder geschlossen,
wie in der F i g. 3 c schematisch angedeutet ist. Das Diagramm der
F i g. 3 c ist übrigens identisch mit dem der bereits erwähnten F i
g. 2 b.
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In einer besonders vorteilhaften Variante der Ausführungsform der
Erfindung nach F i g. 1 ist, wie bereits einleitend erwähnt, der Schalter
S durch eine Diodenanordnung realisiert, deren Sperrkapazität gleichzeitig
die kleine Kapazität Cg darstellt. F i g. 4 zeigt eine geeignete Schaltung.
Gemäß dieser Figur besteht die Diodenanordnung aus einer Brückenschaltung von vier
Silizium-Zenerdioden (SZ 10).
Zwei der diagonal einander gegenüberliegenden
Punkte der Brücke sind in den Schwingkreis einbezogen, der außerdem aus der Induktivität
L, der großen Kapazität CN und dem mit diesen zusammen in Reihe liegenden Nutzwiderstand
R besteht. Die kleine Kapazität CR wird durch die Sperrkapazität der Diodenanordnung
gebildet und ist in F i g. 4 gestrichelt eingezeichnet.
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Die beiden anderen einander diagonal gegenüberliegenden Punkte der
Diodenbrücke sind an den Ausgang eines Verstärkers Y angeschlossen, der Teil
eines in F i g. 4 im übrigen nicht gezeigten Ansteuergenerators ist.
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Der Verstärker V gibt einen Spannungsverlauf U7-ab, der die Diodenanordnung
steuert. In dem dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem Spannungsverlauf
UT um eine Treppenspannung, die auch in F i g. 3 e mit zeitlichem Bezug auf
die Kurven der F i g. 3 a bis 3 d wiedergegeben ist. Zum Zeitpunkt
t = 0 nimmt die Spannung UT einen Wert an, der für die Dioden der in F i
g. 4 gezeigten Brückenschaltung eine kleine Sperrspannung bedeutet. Während
diese Dioden vorher leitend waren und dadurch die kleine Kapazität CR kurzschlossen,
werden sie nunmehr sperrend, wodurch ihre Sperrkapazität CR in den Schwingkreis
wirksam einbezogen wird.
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In F i g. 5 ist eine Kurve gezeichnet, welche die Abhängigkeit
der Sperrkapazität der Diodenbrücke nach F i g. 4 in Abhängigkeit von der
an die Brücke angelegten Spannung UT wiedergibt. Man erkennt ein Absinken der Sperrkapazität
mit zunehmender Sperrspannung. Wenn sich also, wie aus F i g. 3 e hervorgeht,
die Treppenspannung UT zum Zeitpunkt t. sprunghaft von dem kleinen Sperrspannungswert
auf einen großen Sperrspannungswert ändert, wird damit der Kapazitätswert Cg wesentlich
reduziert, und zwar von dem Wert CR, auf den Wert CR 2 3 wie es in F i
g. 3 d dargestellt ist (Pumpvorgang). Zum Zeitpunktt2 springt die Treppenspannung
UT zurück auf einen Wert, der für die Dioden der Brückenschaltung eine Durchlaßspannung
bedeutet. Dieser Vorgang entspricht dem Schließen des Schalters S (vgl. F
i g. 1)
in übereinstimmung mit der dafür in F i g. 3 c gegebenen zeitlichen
Darstellung. Die Treppenspannung UT bleibt auf ihrem Durchlaßwert bzw. der Schalter
S
bleibt geschlossen, solange die Nutzflanke des Sägezahns andauert, nämlich
bis zum Zeitpunkt t" worauf sich das beschriebene Spiel wiederholt.
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In den Oszillogrammen der F i g. 6 a und 6 b sind die
mit einer Schaltung nach F i g. 4 erhaltenen Sägezahnverläufe abgebildet.
Die Treppenspannung UT ist jeweils zeitrichtig eingeblendet. Die F i g. 6 b
unterscheidet sich von der F i g. 6 a lediglich durch einen größeren Zeitmaßstab.
Ein Anwachsen der Sägezahnspannung auf Grund der parametrischen Verstärkung über
einen bestimmten Wert hinaus ist durch die Diodenanordnung selbst begrenzt.
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F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, ähnlicli
der nach F i g. 4, in der die Diodenanordnung lediglich aus einer einzigen
Silizium-Zenerdiode besteht. In diesem Fall ist darauf verzichtet, zur Ansteuerung
der Diodenanordnung eine Treppenspannung nach F i g. 3 c zu verwenden, obwohl
das möglich wäre und zweckmäßig sein könnte. Der Ansteuergenerator A liefert
während der Rücklaufphase der Sägezahnschwingung vielmehr einen einfachen, annähernd
rechteckförmigen Sperrspannungsimpuls. Eine gewisse parametrische Verstärkung kann
trotzdem erreicht werden, wenn dieser Sperrspannungsimpuls einen schleichenden Anstieg
besitzt, wie in F i g. 7 auch angedeutet ist. Eine parametrische Verstärkung
ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Die Energiezufuhr ist nämlich bereits dadurch
auf einfache
Weise gegeben, daß der von dem Ansteuergenerator abgegebene
Sperrspannungsimpuls die Sperrkapazität der Diode, d. h. also die kleine
KapazitätCR des Schwingkreises selbst, jeweils auf einen bestimmten Wert nachlädt.
Der AnsteuergeneratorA hat also in diesem Ausführungsbeispiel nach Fi79-7 nicht
nur die Aufgabe, den Schalter S, der ebenso wie die Kapazität CR in der Figur
gestrichelt angedeutet ist, zu öffnen und zu schließen, er hat gleichzeitig die
Aufgabe, durch die von ihm abgegebenen Impulse den Schwingkreis immer wieder im
richtigen Moment mit Energie zu versorgen. Sein Quellwiderstand ist zweckmäßig groß
genug bemessen, um die Rücklaufschwingung nicht wesentlich zu bedämpfen, aber auch
wiederum klein genug, um eine Aufladung der kleinen Kapazität CR in angemessener
Zeit zu ermöglichen.
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In der Ansführungsform der Erfindung nach F i g. 8
besteht die
umgesteuerte Reaktanz im Gegensatz zu der Ausführungsforin nach F ig.
1, 4 oder 7 nicht aus der Reihenschaltung, sondern aus der Parallelschaltung
zweier stark unterschiedlicher Kapazitäten. Das Prinzip ist jedoch im übrigen das
gleiche: Während des Sägezahnrücklaufs ist allein die kleine Kapazität CR, während
der Dauer der Nutzflanke des Sägezahns dagegen die große Kapazität CN
maß-
gebend.
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Die dualen Schaltungen zu den in den F i g. 1
und
8 gezeigten Schwingkreisanordnungen sind ebenfalls Sägezahngeneratoren nach
der Erfindung. In F i g. 9 ist die duale zu der in F i g. 1 gezeigten
Schaltung skizziert. Sie besteht aus der Parallelschaltung eines Nutzwiderstandes
Rp. einer Kapazität C, einer großen Induktivität LN und einer über einen
Schalter S abwechselnd an- und abgeschalteten kleinen Induktivität LR. Während
der Nutzflanke des Sägezahns ist die kleine Induktivität LR abgeschaltet, während
sie zur Zeit des Sägezahnrücklaufs mit der Kapazität C die schnelle Rücklaufschwingung
ausführt.
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Die sich sägezahnförmig ändernde Schwingkreisgröße ist im Fall der
F i g. 9 nicht der Strom, sondern die Spannung. Entsprechend ist der Nutzwiderstand,
der hier mit Rp bezeichnet ist, dem Schwingkreis parallel geschaltet. Er entnimmt
um so weniger Energie, je größer er ist. Beispielsweise kann er der Eingangswiderstand
eines Transistorverstärkers mit hochohmigem Eingang sein.