DE1489129B1

DE1489129B1 - Zeitablenkspannungs-Erzeuger fuer eine Kathodenstrahlroehre

Info

Publication number: DE1489129B1
Application number: DE19641489129D
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Katagiri; Tsuyoshi Konno
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1963-11-14
Filing date: 1964-11-13
Publication date: 1971-04-29
Also published as: GB1090454A; NL144398B; NL6413122A; US3324413A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zeitablenkspannungs-Erzeuger für eine Kathodenstrahlröhre mit Auswertung einer Sinusschwingung als Zeitbasis, der eine Energiequelle, einen durch ein Triggersignal synchron zu einem Eingangssignal betätigten Schalter und einen LC-Schwingkreis mit mindestens einem Kondensator aufweist, zu dem der Schalter parallel liegt.

Die Zeitablenkspannung wird von vielen Arten von in Zeilen schreibenden Kathodenstrahlröhren be- ίο nötigt, beispielsweise von Elektronenstrahloszillographen, Bildröhren, Faksimiledruckröhren. Auch mit sinusförmigen Spannungen kann eine praktisch zeitlineare Ablenkung erreicht werden, da die Sinusspannung in der Nähe des Nulldurchgangs eine im wesentlichen konstante Anstiegsgeschwindigkeit hat, also zeitlinear verläuft. Solche Sinusspannungen zur Zeitablenkung haben den Vorteil, daß sich hiermit Zeitablenkspannungen sehr hoher Frequenz bzw. eines sehr großen Ablenkzeitmaßstabs erzeugen lassen. Jedoch sind auch hierbei Grenzen gesetzt, die sich teilweise aus schaltungstechnischen Gründen und Gründen der Synchronisation und teilweise aus Gründen der Belastung der Speisung des Zeitablenkspannungs-Erzeugers sowie von dessen Schaltungselementen und insbesondere des die Ablenkung in Gang setzenden Schalters ergeben. Der Spannungsanstieg bekannter Schaltungen liegt deshalb etwa in der Größenordnung von 30 V/ns.

Beispielsweise ist ein mit Hilfe einer LC-Reihenschaltung arbeitender Kippgenerator für einen Elektronenstrahloszillographen bekannt (Zeitschrift »Funk und Ton«, Nr. 9, 1950, S. 484 bis 486), bei der der Kondensator periodisch kurzgeschlossen wird; der Spannungsanstieg der sich nach einer gewissen Einschwingzeit einstellenden sägezahnförmigen Kippspannung verläuft entsprechend dem Nulldurchgangsbereich einer Sinusschwingung von großer fiktiver Amplitude nahezu geradlinig, da die Induktionsspule schließlich einen nahezu konstanten Strom führt. Die periodische Kurzschlußentladung des Kondensators in jeder Periode stellt sehr hohe Ansprüche an die Schaltungselemente und an das den Kurzschluß für kürzeste Zeit aufrechterhaltende Schaltmittel und begrenzt damit die Wiederholungsfrequenz der Ablenkung. Außerdem sind erhebliche Schwierigkeiten wegen auftretender Schwingungen bei der Kondensatorentladung zu erwarten. Bei sehr hohen Ablenkgeschwindigkeiten muß der Zeitablenkspannungs-Erzeuger einen erheblichen Kondensatorladestrom liefern. Außerdem ist die Zeitablenkung nach der bekannten Schaltung im allgemeinen nicht mit einmaligen Vorgängen synchronisierbar, da die Ablenkspannung zuerst einige Perioden zur Einschwingung benötigt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ablenkspannungserzeuger der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine sehr hohe Ablenkgeschwindigkeit erbringt, also einen überaus steilen Spannungsanstieg bewerkstelligt, und obendrein leicht mit einem äußeren Signal synchronisierbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Schwingkreis aus einer Parallelschaltung des dem Schalter parallelliegenden Kondensators mit einer Reihenschaltung aus einer Induktionsspule und einem zweiten Kondensator besteht, der eine erheblich größere Kapazität hat als der erste Kondensator und daß der Gütefaktor Q des LC-Schwingkreises die Bedingung erfüllt

top

«Ό ^

worm

W₀ die Kreisfrequenz des LC-Schwingkreises,

f_r die Zeitablenkfrequenz,

f_s der Linearitätsfehler der Zeitablenkspannung

und
t_A die Ablenkzeit ist.

Mit Hilfe dieser Schaltung ergibt sich beim Betätigen des Schalters, der insbesondere ein elektronischer Schalter sein kann, sofort ein Ansteigen einer Sinusspannung, deren erster ansteigender Ast gleich zur Ablenkung herangezogen werden kann. Als Stromquelle dient der zweite, größere Kondensator, der von einer Stromquelle mäßiger Leistung während längerer Zeit aufgeladen worden sein kann, während die Steilheit des Spannungsanstiegs von der Induktionsspule und dem ersten, kleinen Kondensator, der beispielsweise durch die Kapazität der Ablenkplatten und der Schaltung gegeben sein kann, bestimmt ist. Die erforderliche Bemessung der Schwingkreisdämpfung ergibt sich aus dem zulässigen Linearitätsfehler der Zeitablenkspannung und damit der Ablenkgeschwindigkeit, der nur in der Größenordnung von wenigen Prozent liegen darf, und auch durch die Wiederholungsfrequenz der Zeitablenkung, die ein Abklingen der vorhergehenden Schwingung erforderlich macht.

Die Schwingung wird nach erfolgter Aufladung durch kurzes Schließen des Schalters in Gang gesetzt, wobei sich der erste Kondensator entlädt und der zweite Kondensator sich über die Spule ebenfalls zu entladen beginnt. Ist der Schalter wieder geöffnet, so wird der kleinere Kondensator vom zweiten, größeren Kondensator über die Spule wieder geladen, und die Schwingung setzt sich auf Grund der in der Spule gespeicherten magnetischen Energie über den Kondensator und die kapazitiven Stromkreiselemente fort, die wegen ihrer geringen Kapazität nunmehr die Frequenz der Schwingung im wesentlichen bestimmen. Das Schwingungsverhalten wird außerdem von dem beim Wiederöffnen des Schalters bereits in der Spule fließenden Strom bestimmt.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen erhält man die Möglichkeit, die Ablenkgeschwindigkeit durch verschiedene Parameter zu verändern, von denen für die gegebene Schaltung der jeweils günstigste ausgewählt werden kann. Weiterhin erlaubt es die Erfindung, den Schalter, z. B. eine Elektronenröhre, klein zu dimensionieren, da er für jede geschriebene Zeile nur für eine äußerst kurze Zeit Strom zu führen hat.

Es ist möglich, zur Beeinflussung der gedämpften Sinusschwingung die Zeit zu bestimmen, die benötigt wird, bis der Strom durch den sich öffnenden Schalter zu Null wird. Es können dann Kurventeile der Sinusschwingung mit η Perioden als Ablenkspannung verwendet werden, wenn

^r0 /θ ⁼ ⁿ '

wobei τ₀ = die Schaltzeit des Schalters, /₀ = die Resonanzfrequenz des LC-Kreises und η = 1, 2, 3 ... ist. Ist η = 1, so kann als Ablenkspannung der Kathodenstrahlröhre der erste ansteigende Teil der Sinusschwingung verwendet werden, wodurch sich eine

hohe mögliche Wiederholfrequenz der Zeitablenkung ergibt.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt

F i g. 1 die Schaltung einer Äusführungsform der Erfindung,

F i g. 2 und 3 abstrahierte Darstellungsformen der Schaltung gemäß Fig. 1,

F i g. 4 eine Ersatzschaltung für die Schaltung gemäß Fig. 3, die diese während einer bestimmten Betriebsweise zeigt,

F i g. 5 und 6 weiterhin vereinfachte Ersatzdarstellungen,

F i g. 7 eine gedämpfte Sinusschwingung,

F i g. 8 und 9 teilweise zusammengehörige Darstellungen von Spannungs- und Stromverläufen,

Fig. 10 in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der Amplitude von der relativen Schaltzeit.

Die Schaltung einer Ausführungsform der Erfindung ist in F i g. 1 dargestellt, in der zur schnellen Zeitablenkung des Elektronenstrahls in einer Kathodenstrahlröhre 11 an deren Zeitablenkplatten 12 eine sich ändernde Spannung mit erheblichem Gradienten angelegt wird. Zur Einleitung der Spannungsänderung dient als Schaltglied eine Elektronenröhre 13, parallel zu deren Anode und Kathode eine gestrichelt angedeutete Röhrenkapazität 14 liegt. Die Elektronenröhre 13 überbrückt die Zeitablenkplatten 12. An das Gitter 15 der Röhre 13 ist ein Steuerimpuls 16 anlegbar, der die Röhre kurzzeitig leitend macht, die zur übrigen Zeit auf Grund einer negativen Vorspannung am Gitter 15 sperrt.

Parallel zur Röhre 13 und zu den Zeitablenkplatten 12, also parallel zur verhältnismäßig niedrigen Kapazität 14, liegt die Reihenschaltung einer Induktionsspule 17 und eines Kondensators 18, dessen Kapazität wesentlich höher ist als die Kapazität 14. An den Verbindungspunkten der Röhre 13, mit der Reihenschaltung aus der Spule 17 und dem Kondensator 18 und mit den Zeitablenkplatten 12 liegt über einen Ladewiderstand 19 eine Gleichstromquelle 20.

Die Schaltung nach Fig. 1 ist vereinfacht in F i g. 2 dargestellt, wobei die Kapazität der Zeitablenkplatten 12, die Kapazität 14 der Röhre 13 und die übrige Schaltungskapazität im Schwingkreis in einem Kondensator 21 zusammengefaßt dargestellt ist. Da die Elektronenröhre 13 obendrein als Hintereinanderschaltung eines ohmschen Widerstandes 13' und eines Schalters 13" gedacht werden kann, ergibt sich weiterhin die Schaltung gemäß F i g. 3. Der Ladewiderstand 19 hat einen Widerstandswert, der wesentlich niedriger ist als der Widerstandswert des Röhrenwiderstandes 13'. Der Kondensator 21 hat eine Kapazität, die wesentlich niedriger ist als die des Kondensators 18. Während der Schalter 13" geöffnet ist, läßt sich die Schaltung reduzieren auf den Schaltplan von Fig. 4. In diesem Zustand werden die Kondensatoren 18 und 21 über den Widerstand 19 bis zur Spannung der Gleichstromquelle 20 aufgeladen.

Der Darstellung gemäß F i g. 3, 4 und 5 liegt die Annahme zugrunde, daß die Elektronenröhre 13 als reiner Schalter arbeitet, also nur entweder vollkommen sperrt oder vollkommen leitet, daß es aber beim Wiedersperren keiner Zeitspanne bedarf, bis der durch die Röhre fließende Strom zu Null wird.

Beim Schließen des Schalters 13" wird der Konden-

sator 21 über den Widerstand 13' entladen, und seine Klemmenspannung sinkt schnell auf Null ab. Einer schnellen Entladung des Kondensators 18 steht die Spule 17 entgegen. Der Kondensator 18 behält deshalb seine Anfangsspannung im wesentlichen noch für eine gewisse Zeit bei, während sich ein Strom in der Spule 17 ausbildet. Wird nun der Schalter 13" nach Entladung des Kondensators 21 wieder geöffnet (F i g. 4), so tritt im aus der Spule 17 und den Kondensatoren 18 und 21 bestehenden LC-Schwingkreis eine Schwingung auf. Da der Widerstand 19 verhältnismäßig hochohmig ist, kann die Schaltung ersatzweise in die Schaltung nach F i g. 5 umgezeichnet werden. Der Kondensator 21 hat eine wesentlich kleinere Kapazität als der Kondensator 18 und bestimmt deshalb im wesentlichen das Schwingungsverhalten des Schwingkreises. Die an den Klemmen des Kondensators 21 anliegende Spannung liegt auch an den Zeitablenkplatten 12 der Kathodenstrahlröhre 11 an und dient als Zeitablenkspannung.

Eine mathematische Analyse des Spannungsverlaufs ergibt folgendes:

Es werden folgende Größen definiert:

45

50

55 R_J9 =

r₁₃ =

L₁₇ =

C₁₈ =

C₂₁ =

Q =

t =

t_A =

τ =

f₀ =

f_r =

e =

e₀ =

e₁₈ =

i₀

Widerstandswert des Ladewiderstandes 19,

Widerstandswert des Röhrenwiderstandes 13',

Induktivität der Induktionsspule 17, Kapazität des Kondensators 18, Kapazität des Kondensators 21, Gütefaktor des LC-Schwingkreises 17, 18, 19,
Zeit,

Ablenkzeit,

Zeitbedarf zur Unterbrechung des Anfangsstroms,

Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises,

Kreisfrequenz des LC-Schwingkreises, Ablenk-Wiederholfrequenz, Nutzspannung = Spannung am Kondensator 21,

Anfangsspannung am Kondensator 21 bei Schalteröffnung,
Spannung am Kondensator 18, Anfangsspannung am Kondensator 18, maximale Spannungsamplitude, Strom im LC-Schwingkreis, Anfangsstrom durch die Spule 17 bei Schalteröffnung,

zulässige Unlinearität der Ablenkgeschwindigkeit.

Vorausgesetzt ist:

Es gilt die Beziehung:

(1)

Durch Lösung dieser Gleichung ergibt sich für die Spannung e am Kondensator 21, die auch die Spannung an den Zeitablenkplatten 12 ist

e =

sin O)₀1 - (e₀ - e_l80) cos ^t + C₂₁ O₀

= if) +

ψ =

/ (τ^—j + te) - ^ei8o)² sin ι r \*-2i ^ωο/

-1 C₂I fUo (^O ~ ^e18o) _

ig — "-Ό — ,/

Man erkennt aus dieser Gleichung, daß die Schwingungsamplitude sehr stark von der Spannungsdifferenz (e₀ — ^₁₈₀) und dem durch die Spule 17 fließenden Strom i₀ abhängt. Um eine hohe Schwingungsamplitude zu erhalten, soll die Kapazität C₁₈ des Kondensators 18 im Vergleich zur Kapazität C₂₁ des Kondensators 21 groß gewählt werden. Bei entsprechend großer Kapazität C₁₈ des Kondensators 18 kann der durch die Spule 17 fließende Anfangsstrom i₀ ohne wesentliche Veränderung der Klemmenspannung groß sein. Trotz des hohen, die Ladung des Kondensators 21 ändernden Stroms braucht die Stromquelle nur eine relativ geringe Leistung zu liefern, die nur dazu ausreichen muß, den Kondensator 18 in der Zeitspanne aufzuladen, in der die Röhre 13 sperrt.

Ist der Energieverlust im Resonanzkreis groß, so wird die Sinusform der Schwingung verzerrt. Die Schwingung ist jedoch ausreichend sinusförmig, und man erhält eine ausreichende Linearität der Zeitablenkung, wenn die Bedingung erfüllt ist Die Definition der vorher angegebenen Größen gilt weiterhin, wobei ferner

C₂₅ = Kapazität des Kondensators 25,
L₂₆ = Induktivität der Spule 26.

Wird der Anfangsstrom I₀ schlagartig unterbrochen, so ergibt sich unter der Voraussetzung, daß 2 Q » 1, wobei gesetzt werden kann:

(W₀ —

s = -L₂S(O₀I₀ sin ω_οί. (4)

Die maximale Spannungsamplitude ergibt sich zu

A =

Die Schaltung gemäß F i g. 1 ist also entsprechend verlustarm aufzubauen, um den erforderlichen Gütefaktor zu gewährleisten. Sind die Spule 17 und die kapazitiven Elemente 18, 12 und 14 Elemente mit geringen Verlusten, so kann der erforderliche Gütefaktor auch durch geeignete Wahl des Widerstandswertes R des Widerstandes 19 erreicht werden. Dabei ist jedoch darauf zu achten, daß R gegenüber dem Innenwiderstand r der leitenden Elektronenröhre 13 genügend groß bleibt.

Zusätzlich zur Bemessung der Schaltelemente des LC-Schwingkreises kann das Spannungsverhalten auch noch durch das Schaltverhalten der Röhre 13 beeinflußt werden, wobei insbesondere die Schaltzeit der Röhre, also die Zeit, bis der durch die Röhre fließende Strom zu Null wird, zu beachten ist. Zur Untersuchung der diesbezüglichen Vorgänge ist die Schaltung gemäß F i g. 1 bzw. 3 in die äquivalente Schaltung nach F i g. 6 umgezeichnet worden.

Bei der Ersatzschaltung nach F i g. 6 sind ein Kondensator 25 und eine Spule 26 einander parallel geschaltet. Dieser LC-Schwingkreis ist über einen Schalter 27 an eine Stromquelle 28 angeschlossen. Bei jedem öffnen des Schalters 27 wird eine gedämpfte Sinusschwingung erzeugt, die vom in der Spule 26 fließenden Strom eingeleitet wird.

Die gedämpfte Sinusschwingung, die an den Klemmen des Kondensators 25 abgenommen werden kann, ist in F i g. 7 graphisch dargestellt. Sie tritt auf, nachdem der Schalter 27 nach einiger Zeit des Geschlossenseins öffnet, so daß der in der Spule 26 fließende Strom den Kondensator 25 auflädt. Eine mathematische Analyse des Schwingungsvorgangs, die auf die ersten beiden Schwingungsperioden beschränkt bleiben soll, ergibt folgendes Bild:

Mit dieser maximalen Amplitude A steht die Ablenkgeschwindigkeit in Beziehung.

Die Gleichungen (4) und (5) beruhen auf der Annahme, daß die für die Unterbrechung des Anfangsstroms I₀ benötigte Zeit τ = 0 ist. Diese Annahme ist jedoch im allgemeinen nicht zulässig; angesichts der betrachteten äußerst kurzen Zeiten, die bei hohen Ablenkgeschwindigkeiten für den Spannungsanstieg zur Verfügung stehen, liegt die Schaltzeit durchaus in einer vergleichbaren Größenordnung. Die Funktion der Schaltzeit τ ist in Fig. 8 dargestellt.

In diesem Fall gilt für die am Kondensator 25 bzw. an den Zeitablenkplatten auftretende Spannung e:

e = (I₀ L₂₆/τ) i/2 (1 — COSm₀T) COS (ω_οί + Cf₁) (6)

wobei 9Ί = tg *

sin τ

1 — cos τ

(U₀

Dieser Spannungsverlauf ist für einen allgemeinen Fall in durchgezogener Linie in F i g. 9 dargestellt.

Die Amplitude der Schwingung, die sich ergibt, wenn in Gleichung (6) der Kosinus zu 1 wird, ist also von der Schaltzeit τ abhängig. Diese Abhängigkeit ist in Fig. 10 graphisch aufgetragen. Aus der Darstellung folgt, daß die Amplitude bei kurzen Schaltzeiten nur mäßig beeinflußt wird, etwa in der

Größenordnung τ < γγ. Für den Sonderfall τ = y ~'o Jo

existiert für t > τ keine Schwingung mehr. Dieser Spannungsverlauf ist in F i g. 9 gestrichelt eingezeichnet; im Zeitbereich t < τ wird nur eine Schwingung ausgeführt.

Zweckmäßig wird der geradlinige Teil der gestrichelten Kurve von F i g. 9 als Ablenkspannung ausgenutzt. Die Zeitverzögerung gegenüber dem Beginn der Schaltunterbrechung ist dabei am geringsten, und die Ablenk-Wiederholungsfrequenz kann hoch gewählt werden. Wird dahingegen zum Ablenken mit einer gedämpften Schwingung gearbeitet, so kann die

nächste Zeile erst geschrieben werden, wenn die gedämpfte Schwingung beendet ist.

Es kann jedoch r auch die η-fache Periodendauer betragen, wobei dann als Ablenkspannungen Teile des Spannungsverlaufs dieser η Perioden gebraucht werden.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltung lassen sich Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten von 30 V 0.1 ns erzielen.

Claims

Patentansprüche:

1. Zeitablenkspannuiigs-Erzeuger für eine Kathodenstrahlröhre mit Auswertung einer Sinusschwingung als Zeitbasis, der eine Energiequelle, einen durch ein Triggersignal synchron zu einem Eingangssignal betätigten Schalter und einen is LC-Schwingkreis mit mindestens einem Kondensator aufweist, zu dem der Schalter parallel liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis aus einer Parallelschaltung des dem Schalter (13) parallelliegenden Kondensators (21) mit einer Reihenschaltung aus einer Induktionsspule |17) und einem zweiten Kondensator (18) besteht, der eine erheblich größere Kapazität hat als der erste Kondensator (21), und daß der Gütefaktor O des LC-Schwinijkreises die Bedingung erfüllt

'''O · 1

W.

worin

<»_n die Kreisfrequenz des LC-Schwingkreises. fr die Zeitablenkfrequenz,
.-χ der Linearitätsfehler der Zeitablenkspannung und
t, die Ablenkzeit ist.

2. Spannungserzeuger nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kondensator (21) durch die Ablenkplatten 112) einer Kathodenstrahlröhre ill) gebildet ist.

3. Spannungserzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gedämpfte Sinusschwingung durch die Wahl der Schaitzeit τ des Schalters (13) bestimmt ist und daß r = " , wobei

ίο die Resonanzfrequenz des LC-Kreises ist und η = 1, 2. 3 ...

4. Spannungserzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkspannung für die Kathodenstrahlröhre (11) Teile der Sinusschwingung mit η Perioden verwendet werden.

5. Spannungserzeuger nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß η = 1 und daß als Ablenkspannung für die Kathodenstrahlröhre 111) der erste ansteigende Teil der Schwingung verwendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen COPY

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