DE1616214C - Stoß-Sendekreis für Echolotgeräte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stoß-Sendekreis für Echolotgeräte, bestehend aus einem magnetostriktiven oder einem mit einer Induktivität parallelgeschalteten piezoelektrischen Schwinger, der zwecks seiner Stoßerregung mittels eines elektronisch steuerbaren Halbleiter-Gleichrichters, vorzugsweise eines Thyri-. stors, an einen aufgeladenen Kondensator. angeschaltet und hierdurch mit dem Kondensator. zu einem von dem Entladestromstoß angeregten Schwingkreis vereinigt wird. it>

Stoß-Sendekreise der vorausgesetzten Art, . insbesondere solche, die an Stelle eines mechanischen Schalters einen steuerbaren Halbleiter-Gleichrichter aufweisen, sind an sich bereits bekannt. Es hat sich' aber gezeigt, daß hierbei der steuerbare Halbleiter-Gleichrichter gegenüber dem mechanischen Schalter nicht.nur die bekannten Vorteile (keine Abnutzung; keine Prellvorgänge), sondern auch den folgenden, sehr störenden Nachteil hat:

Ein steuerbarer Halbleiter-Gleichrichter hat ja die an sich gewollte Eigenschaft, daß er nach seinem Zünden (das durch den Steuerimpuls bewirkt wird) nur in einer Richtung durchlässig wird; für einen etwaigen Rückstrom dagegen ist er gesperrt.

Bei seiner Verwendung als Schalter eines Stoß-Sendekreises wird er infolgedessen immer nur eine Umladung des Stoß-Kondensators, also eine einzige Halbschwingung des Stöß-Sendekreises zulassen, so daß nur ein verhältnismäßig geringer Teil der im Stoß-Kondensator gespeicherten elektrischen Energie vom Schwinger in abgestrahlte Ultraschall-Leistung umgewandelt werden kann. ,

In der Praxis bedeutet dies eine unbefriedigend geringe Ausnutzung des verwendeten Schwingers.

Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil. Bekanntlieh hat jeder steuerbare Halbleiter-Gleichrichter eine gewisse Freiwerdezeit (Rekombinationszeit). Das ist die Zeit, die vergeht, bis seine Sperrzonen nach dem Stromdurchgang wieder genügend frei von Ladungsträgern werden, was die Voraussetzung für die Sperrung eines Rückstromes ist. Wie ferner bekannt ist, wird diese »Sperrträgheit« um so größer (d. h. die ·' Freiwerdezeit ist um so länger), je stärker der Halbleiter-Gleichrichter belastet wird.

Ausgehend von dieser Tatsache, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den in einem Stoßsendekreis der vorausgesetzten Art verwendeten elektronisch steuerbaren Halbleiter-Gleichrichter so zu wählen, daß er in solchem Maße unterdimensioniert und somit beim Auftreten der Entladestromspitze in solchem Maße überlastet ist, daß seine Freiwerdezeit (Rekombinationszeit) größer ist als die Dauer einer Halbwelle der Eigenschwingung des durch ihn geschlossenen Schwingkreises.

Bei Anwendung der Erfindung ist eine genügend häufig oszillierende Umladung des Stoß-Kondensators möglich, so daß die Reichweite nicht beschnitten wird. Hs tritt ein sehr kurzer und trotzdem leistungsstarker Ultraschall-Sendeimpuls in das Wasser, der nur ein einziges großes Maximum besitzt. Dadurch wird die aus dein Prinzip des Stoßkreises herrührende hohe Auflösung auch in der Praxis wirksam. Es werden die große Reichweite und die Eindeutigkeit der Lotung eines Röhrengenerators mit dem hohen Auflösungsvermögen des Stoßkreisprinzips vereinigt.

Eine zusätzliche, das Auflösungsvermögen verbessernde Wirkung tritt ein bei Verwendung eines Thyristors, der eine Zener- oder Avalanchespannung besitzt, die gleich der Soll-Ladespannung des Stoßkondensators ist. _:- : -

Es wurde nämlich erkannt, daß bei Verwendung eines Thyristors in einem Stoßkreis dieser die Ladung des Stoß-Kondensators normiert. Somit wird der Thyristor zugleich als eine die Ladung begrenzende Zenerdiode wirksam, wodurch beim Überschreiten eines vorgegebenen, festen Spannungsniveaus des Konderisators dessen überschießende Ladung abfließt und eine weitere Aufladung verhindert wird. Hierdurch wird die Amplitude des auszusendenden Schallwellenzuges an die scharf definierte Zenerspannung bzw. Avalanchespannung gekuppelt. Da ferner der Thyristor unmittelbar am Energiespeicher für den Sendeimpuls angeordnet ist, wird die vom Stoß-Kondensator gespeicherte Energie unabhängig vom Zustand und der Entfernung der aufladenden Stromquelle wie auch der Länge und dem Zustand der Zuleitung. .

Über die hierdurch bewirkte Amplitudennormierung hieraus läßt sich auch— oder allein — eine Längennormierung des Sendeimpulses mit demselben Thyristor erreichen durch eine solche Bemessung seiner Freiwerdezeit, daß sie gerade noch für ein Abklingen der Schwingungsamplitude bis auf einen für die Lotimpulsaussendung mindest erforderlichen Wert ausreicht.

Diese Normierungen ergeben im verstärkten Maße Eindeutigkeit und gutes Auflösungsvermögen, weil der Sendeimpuls exakt nach Amplitude und Dauer festlegbar ist.

Voraussetzung hierfür ist die Verwendung eines sich nicht bis zum Ende des Schallwellenzuges, insbesondere sich zeitlich nur über einen Bruchteil der Halbwelle der Schwingung erstreckenden Ausgangsimpulses des Taktgebers als öffnungsimpuls für den Thyristor. Wird im übrigen die Freiwerdezeit geeignet bemessen, so läßt sich erreichen, daß der letzte Teil des abklingenden Schallwellenzuges abgeschnitten wird, der zur Reichweite nichts beiträgt, aber das gute Auflösungsvermögen verschlechtert, indem er an sich gut detaillierte Echos mehr oder weniger »verschmiert«.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zu dem elektronisch steuerbaren Halbleiter-Gleichrichter eine Halbleiter-Diode antiparallel geschaltet.

Diese Diode übernimmt einen Teil des Rückstromes beim Durchschwingen des Stoß-Sendekreises und entlastet hierdurch den Thyristor. Dadurch kann der teure Thyristor von kleinerer Größe gewählt werden, wodurch sich trotz der zusätzlichen Diode eine erhebliche Verbilligung ergibt. Gegenüber einer denkbaren Ausführung mit zwei antiparallelen Thyristoren ist die Steuerung einfacher, weil nur eine Elektrode mit der Steuerspannung zu beaufschlagen ist. Dabei kann außerdem die obenerwähnte normierende Wirkung der Zener- oder Avalanchespannung zusätzlich oder allein durch diese Diode übernommen werden.

In der Fig. 1 wird ein Ausführungsbeispiel einer für die Zwecke der Erfindung geeigneten Schaltung eines Stoßkreissenders erläutert, während in der F i g. 2 ein resultierender Schallsendeimpuls gezeichnet ist; F i g. 3 zeigt einen Stoßkreis mit einem piezoelektrischen Schwinger.

In der Fig. I ist mit 1 ein Taktgeber bezeichnet. Dies kann sowohl ein elektronischer Schalter sein,

dem gegebenenfalls eine Stromverstärkungsstufe (Kathodenfolger) nachgeschaltet ist, als auch ein mechanischer Schalter, der beispielsweise als Kontakt an dem'in einer Lotperiode einmal umlaufenden, nichtleitenden Riemen eines Schreibers ausgebildet ist.-Der Taktgeber erzeugt zu Beginn einer jeden Lotperiode einen kurzen Rechteckimpüls. Stoßkondensator C₁, Magnetostriktionsschwinger 2, Diode D - mit hierzu parallel liegendem Thyristor T bilden den Stoß-Sendekreis. Der Stoßkondensator C₁ wird über den Widerstand R von der Batterie B aufgeladen. Die Echos werden mittels des zweiten Schwingers 3, der nicht auch magnetostriktiv zu sein braucht, empfangen. C, ist ein Abstimmkondensator, 4 der Empfangsverstärker und 5 die Anzeigevorrichtung.

In der F i g. 2 ist die obere Hälfte der Umhüllenden des Schallwellenzuges 6 gezeichnet. Die Amplitude A der Umhüllenden ist gegenüber der Zeit t aufgetragen. Im Zusammenhang mit dieser Figur wird später die besondere Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels der F i g. 1 bzw. 2 erläutert.

Es sei von dem entladenen Zustand des Stoßkondensators C₁ ausgegangen. Die Batterie B lädt in bekannter Weise den Kondensator C₁ über den Widerstand R langsam auf. Da ein quadratischer Zusammenhang zwischen der Kondensatorspannung und .,seinem Energieinhalt besteht-, machen sich bereits kleine Schwankungen seiner endgültigen Ladespannung — mögen sie nun in der Batterie B selbst, der mehr oder weniger langen Zuleitung 7, die unter Umständen meherere km betragen kann, oder in anderen Bauteilen begründet sein — bereits deutlich bemerkbar.

Infolge der dem Thyristor eigenen Zener- bzw. Avalanchespannung, oberhalb der es auch dann schwach leitend wird, wenn kein Öffnungsimpuls an seiner Steuerelektrode liegt, fließt der überschüssige Teil der Kondensatorladung nach Erde ab. Damit wird der Energieinhalt des Stoßkondensators durch die scharf definierte Zenerspannung des Thyristors kontrolliert. Die gleiche Wirkung läßt sich erzielen, wenn die in den Stoßkreis zusätzlich eingefügte Diode D eine Zenerdiode ist.

Der jede Lotperiode einleitende Taktgeber 1 sperrt gleichzeitig den Empfangsverstärker 4 und sendet einen Öffnungsimpuls an die Steuerelektrode des Thyristors T. Der Öffnungsimpuls reicht lediglich von f₀ bis t_t (Fi g. 2) und braucht je nach Thyristortype nur etwa 5 bis 20 μβεο kurz zu sein. Natürlich können auch längere Öffnungsimpulse verwandt werden. Innerhalb der Freiwerdezeit des Thyristors, einer bisher nur als Nachteil empfundenen Eigenschaft, bleibt der Thyristor auch für die inverse Halbwelle leitend. Da diese aber ebenfalls stromstark ist, resultiert wiederum eine genügend lange Freiwerdezeit für die Durchlaßrichtung usf., bis infolge der fallenden Stromstärke der gedämpften Schwingung die Freiwerdezeit zu kurz wird, um die öffnung aufrechtzuerhalten. Dann beendet der Thyristor selbsttätig die Schallaussendung. Dann ist aber bereits der wesentliehe Teil der Schalleistung abgestrahlt — die Stromstärke und auch die Spannung sind erheblich gefallen —, und das deshalb zur Reichweite praktisch nichts beitragende, aber das Auflösungsvermögen verschlechternde Ende der gedämpften Schwingung ⁶S wird »abgeschnitten«.

In der Fig. 2 wird die maximale Amplitude A_1n nach dem Zünden des Thyristors wegen der mecha» nischen Trägheit des Schwingers 2 etwas verspätet erst zum Zeitpunkt Z₁ erreicht. Der Betrag der Amplitude wird aber durch die Zenerspannung des Thyristors T genau festgelegt. Außerdem wird -auch der Endzeitpunkt /,, des noch mit einer merkbaren Amplitude behafteten Schallwellenzuges 6 vom Thyristor bestimmt. Dadurch fällt der das Auflösungsvermögen herabsetzende, aber zur Reichweite nichts beitragende »Schwanz« 8 fort, und es braucht nicht erst von einem äußeren zeitbestimmenden Glied zu dem gewünschten Endzeitpunkt ein zeitlicher Impuls erzeugt und der Schaltungsanordnung über gegebenenfalls sehr lange Kabel zugeführt zu werden. Der Thyristor T leitet also nicht nur den Sendeimpuls 6 zur Zeit f₀ ein, sondern begrenzt ihn selbsttätig durch die beiden, gestrichelt eingezeichneten Koordinaten A_m und t_e. Da ferner der Anstieg und Abfall des Schallwellenzuges 6 durch die elektrischen und mechanischen Daten des Stoß-Sendekreises fest vorgegeben sind, wird auch die Leistung des Sendeimpulses 6 ohne weitere Steuerstufen durch denselben Thyristor selbsttätig normiert.

Die Diode D verhindert dieses Verhalten des Thyristors nicht, insbesondere wenn die Freiwerdezeit des Thyristors an sich lang genug gewählt ist, um die verkürzende Wirkung der Diode auszugleichen. Die Diode D bietet hierdurch die zusätzliche Möglichkeit, entsprechend der zu wählenden Stromleitung zwischen Thyristor Γ und Diode D, den gewünschten Endzeitpunkt t_e des Sendeimpulses festzulegen. Da ferner die Diode einen wesentlichen Teil des inversen Entladestromes aufnimmt, läßt sich ein wesentlich kleinerer Thyristor verwenden. Neben dem günstigeren Preis steht dadurch für seine Auswahl eine größere Zahl von Thyristortypen zur Verfügung.

In der F i g. 3 ist der Stoß-Sendekreis aus F i g." 1 statt mit einem magnetostriktiven mit einem äquivalenten piezoelektrischen Schwinger 2 a gezeichnet. Der von dem Thyristor T ausgelöste Entladestromstoß des Stoß-Kondensators C₁ wird über die dem piezoelektrischen Schwinger la parallelgeschaltete Schwingkreisspule L., geführt. (Die Spule L₁ in F i g. 1 ist auch Schwingkreisspule, gleichzeitig aber Wicklung des magnetostriktiven Schwingers 2.)

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Stoß-Sendekreis für Echolotgeräte, bestehend aus einem magnetostriktiven oder einem mit einer Induktivität parallelgeschalteten piezoelektrischen Schwinger, der zwecks seiner Stoßerregung mittels eines elektronisch steuerbaren Halbleiter-Gleichrichters, vorzugsweise eines Thyristors, an einen aufgeladenen Kondensator angeschaltet und hierdurch mit dem Kondensator zu einem von dem Entladestromstoß angeregten Schwingkreis vereinigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronisch steuerbare Halbleiter-Gleichrichter in solchem Maße elektrisch unterdimensioniert und somit beim Auftreten der Entladestromspitze in solchem Maße überlastet ist, daß seine Freiwerdezeit (Rekombinationszeit) größer ist als die Dauer einer Halbwelle der Eigenschwingung des durch ihn geschlossenen Schwingkreises.

2. Stoß-Sendekreis nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Thyristors

(Γ) mit einer Zener- oder Avalanchespannung, die gleich der Soll-Ladespannung des Stoß-Kondensators ist.

3. Stoß-Sendekreis nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung der Freiwerdezeit des elektronisch steuerbaren Halbleiter-.Gleichrichters, daß sie gerade noch für ein Abklingen der Schwingungsamplitude bis auf einen für die Lotimpulsaussendung mindest erforderlichen Wert ausreicht.

4. Stoß-Sendekreis nach Anspruch- 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem elektronisch steuerbaren Halbleiter-Gleichrichter eine Halbleiter-Diode (D) antiparallel geschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen