DE1763611B1

DE1763611B1 - Schaltungsanordnung zur Speisung einer kapazitiven Last mit einer in der Polaritaet umkehrbaren Hochspannung

Info

Publication number: DE1763611B1
Application number: DE19681763611
Authority: DE
Inventors: Chang David Ching
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1967-07-14
Filing date: 1968-07-03
Publication date: 1970-06-18
Also published as: BE716952A; CH493145A; DE1763611C2; FR1576632A; US3492502A; GB1216877A; SE337395B; ES355850A1; NL6809369A; NL159248B; JPS4815410B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer kapazitiven Last mit einer in der Polarität umkehrbaren Hochspannung mittels zweier antiparalleler, abwechselnd die Last speisender Spannungsquellen für unipolare Impulse. Zum Betreiben einer kapazitiven Last, wie z. B. eines elektrooptischen Kristalls, erweist es sich häufig als nötig, eine hohe Spannung umkehrbarer Polarität an dieses Element zu legen. Für elektrooptische Kristalle durchaus typische Spannungswerte betragen 2000 Volt und mehr, wobei der Kristall für die elektrische Ansteuerung im wesentlichen eine kapazitive Last mit typischen Werten von 50 bis 100 pF darstellt.

Es ist eine als Wechselrichter bezeichnete Schaltungsanordnung zur Speisung einer kapazitiven Last mit einer in der Polarität umkehrbaren Spannung mittels zweier antiparalleler, abwechselnd die Last speisender Spannungsquellen für unipolare Impulse bekannt. Diese Schaltungsanordnung ist im wesentlichen so ausgeführt, daß eine erste Gleichspannungsquelle über einen Transistor und eine zweite Gleichspannungsquelle entgegengesetzter Polarität über einen weiteren Transistor abwechselnd an die kapazitive Last angeschlossen sind. Beide Transistoren sind von einem nicht dargestellten Impulsgeber derart gesteuert, daß bei einem geöffneten Transistor jeweils der andere geschlossen ist, so daß abwechselnd positive und negative unipolare Impulse zur Speisung der kapazitiven Last verfügbar sind. Im Fall der Speisung der Last mit Hochspannungsimpulsen müssen bei dieser Schaltungsanordnung Hochgleichspannungsquellen vorgesehen sein und die Schaltmittel im technisch schwer beherrschbaren Hochspannungskreis arbeiten (deutsche Auslegeschrift 1046 175).

Es ist zwar weiterhin bekannt, zur Speisung eines Kondensators mit Hochspannungsimpulsen die Primärwicklung eines Hochspannungstransformators aus einem Niedergleichspannungskreis mit Ladeimpulsen zu beaufschlagen (DT-Zeitschrift »Funk-Technik«, Jg. 22 (1967), Nr. 5, S. 147 und 148). Eine bloße Übertragung dieser Maßnahme auf die oben zuerst beschriebene bekannte Anordnung führt je^ doch noch nicht zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe, nämlich bei einer Schaltungsanordnung zur Speisung einer kapazitiven Last' mit einer in der Polarität umkehrbaren Hochspannung ohne Hochspannungsquellen und Hochspannungsschalter auszukommen. Die Ladespannung der kapazitiven Last würde über den dem speisenden Zweig parallelliegenden, für die Aufladung entgegengesetzter Polarität dienenden Zweig kurzgeschlossen.

Erfindungsgemäß ist zur Lösung der vorgenannten Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art vorgesehen, daß jede Spannungsquelle einen Hochspannungstransformator enthält, dessen Primärwicklung aus einem Niedergleichspannungskreis mit Ladeimpulsen beaufschlagt ist, daß der Ausgangskreis jeder Spannungsquelle aus der Reihenschaltung einer für den Speisestrom in Durchlaßrichtung gepolten Diode, der Sekundärwicklung des Hochspannungstransformators und einer spannungsmäßig der Sekundärspannung des Hochspannungstransformators entgegengerichteten Konstant-Gleichspannungsquelle besteht und daß die Spannung der Konstant-Gleichspannungsquellen annähernd den gleichen Wert wie die Lastspannung und die Sekundärspannung der Hochspannungstransformatoren annähernd den doppelten Wert wie die Lastspannung ^: 'haben.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist darin zu sehen, daß zur Speisung der kapazitiven Last mit einer in der Polarität umkehrbaren Hochspannung an Stelle von Hochgleichspannungsquellen demgegenüber weniger aufwendige Niedergleichspannungsquellen notwendig sind und außerdem das Schalten zur Erzeugung der Impulse ίο im technisch leicht beherrschbaren Niederspannungskreis erfolgt. ■ . ■

Eine vQrteilhafte Ausführung der Erfindung ist gekennzeichnet durch die Verwendung von Zener-Dioden als Konstant-Gleichspannungsquellen, Paral-IeI zu jeder Zener-Diode ist vorteilhafterweise ein Kondensator mit im Vergleich zur kapazitiven Last erheblich größerem Kapazitätswert geschaltet. Derartige Parallelanordnungen von Zener-Dioden und Kondensatoren sind an sich bekannt (DT-Zeitschrift

ao »Funk-Technik«, Jg. 16 (1961), Nr. 6, S. 193).

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht schließlich darin, daß zur Kompensation des durch Leckströme bedingten Ladungsverlustes der kapazitiven Last die Primärwicklung des Hochspannungstransformators zusätzlich mit Halteimpulsen höherer Frequenz als der Frequenz der Ladejmpulse beaufschlagt ist.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Zeichnungen naher erklärt. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und

Fig. 2 die Strom- und Spannungsverläufe an verschiedenen Punkten der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung.

Die in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung besteht aus einer positiven Ladeschleife 42 und einer negativen Ladeschleife 44, die beide über eine kapazitive Last 46 führen. Die Last 46 kann z. B. ein KDP-Kristall sein, das zur Drehung der Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht verwendet wird und einen Kapazitätswert von ungefähr 50 bis 100 pF aufweist.
Auf der für die positive Aufladung maßgeblichen Seite der Schaltungsanordnung ist ein Steuereingang 50 über eine Diode 52 mit der Basis eines NPN-Schalttransistors 54 verbunden, der mit der Primärwicklung 56 eines Transformators 47 und einer Quelle für 6Q Volt Gleichspannung in Reihe liegt. Ein einen gewissen Lastspannungswert aufrechterhaltender Steuereingang 58 ist über eine Diode 60 mit der Basis des Transistors 54 verbünden. Die Sekundärwicklung 62 des Transformators 47 ist mit einer Halbleiter-Diode 64, der kapazitiven Last 46 und einer Zener-Diode 40 in Reihe geschaltet. In der Praxis wird die Zener-Diode 40 aus mehreren in Reihe geschalteten Zener-Diaden bestehen, so daß die Gesamtzenerspannung 2000 Volt beträgt.

Parallel zu der Zener-Diode 40 ist ein Glättungskondensator 68 geschaltet, dessen Wert ungefähr 20 bis 100 mal so groß ist wie die Kapazität der Last 46. In ähnlicher Weise ist auf der für die negative Aufladung der Last maßgeblichen Seite der Schaltung ein Steuereingang 70 über eine Halbleiterdiode 72 mit der Basis eines NPN-Schalttransistors 74 verbunden, der mit der Primärwicklung 76 eines Transformators 48 und einer Quelle für 60 Volt Gleichspannung in Reihe liegt. Die Spannungsquelle kann

dieselbe sein wie für die Primärwicklung 56. Der die negative Lastspannung aufrechterhaltende Steuereingang 78 ist über eine Diode 80 mit der Basis des Transistors 74 verbunden. Die Sekundärwicklung 82 des Transformators 48 ist mit einer Diode 36, der kapazitiven Last 46 und einer Zenerdiode 38 in Reihe geschaltet. Die Zenerdioden 38 und 40 haben gleiche Daten. Ein dem Glättungskondensator 68 entsprechender Kondensator 84 ist zu der Zenerdiode 38 parallel geschaltet.

Die Arbeitsweise der in F i g. 1 gezeigten Schaltung wird mit Hilfe der in F i g. 2 gezeigten Zeitverläufe beschrieben. Um + 2000 Volt an die kapazitive Last 46 zu legen, wird ein positiver Schaltimpuls 86 (Linie α in F i g. 2) auf den Eingang 50 gegeben. Dieser Impuls hat eine Amplitude von ungefähr 6 Volt und einer Dauer von etwa 3 Mikrosekunden. Er schaltet den Transistorschalter 54 ein, so daß der Strom von der 60-Volt-Gleichspannungsquelle über die Primärwicklung 56 und den Transistor 54 fließt. In der Sekundärwicklung 62 wird ein Impuls von etwa 4000 Volt induziert, der einen kapazitiven Ladestrom erzeugt, wodurch die kapazitive Last 46 auf + 2000 Volt aufgeladen wird und sich eine gleich große Spannung auch über der Zenerdiode 40 aufbaut. Die Zenerdiode 40 hält diesen Spannungsabfall von 2000 Volt ab einem bestimmten Stromwert unabhängig von dem durch sie fließenden Strom aufrecht.

Die Diode 64 verhindert eine Entladung der kapazitiven Last 46 über die positive Ladeschleife 42. Außerdem spannt die Zenerspannung der Zenerdiode 38 die Diode 36 mit 2000 Volt in Sperrichtung vor, wodurch die Entladung der kapazitiven Last über die negative Ladeschleife 44 verhindert wird. Trotz der Sperrung der beiden Ladeschleifen tritt jedoch immer noch ein gewisser Ladungsverlust der kapazitiven Last 46 auf. Um die Höchstspannung von 2000 Volt über der kapazitiven Last 46 aufrechtzuerhalten, werden positive Halteimpulse 88 auf die Eingangsklemme 58 gegeben. Wie durch die Linie b in F i g. 2 angedeutet ist, besitzen die Halteimpulse eine Amplitude von 6 Volt und eine Dauer von ungefähr 2 Mikrosekunden. Die Linie e in F i g. 2 zeigt die geringe, der Lastspannung Vc überlagerte Sägezahnspannung, die durch den Ladungsverlust des Kondensators einerseits und die Wiederaufladung durch die Halteimpulse 88 andererseits erzeugt wird. Die negative Ladeschleife 44 arbeitet entsprechend der positiven Ladeschleife 42.

Ein auf den Eingang 70 gegebener positiver Schaltimpuls 90 (Linie c in F i g. 2) schaltet den Transistor 74 ein, der den Stromweg über die Primärwicklung 76 an die 60-Volt-Gleichspannungsquelle schließt. In der Sekundärwicklung 82 wird dann ein Impuls von ungefähr 4000 Volt induziert, der einen kapazitiven Ladestrom in der negativen Ladeschleife 44 erzeugt, wodurch die kapazitive Last auf — 2000 Volt aufgeladen wird und sich über der Zenerdiode 40 einen Spannungsabfall von 2000 Volt aufbaut.

Die Diode 36 verhindert die Entladung der kapazitiven Last 46 über die negative Ladeschleife 44, und die durch die Zenerspannung über der Diode 40 in Sperrichtung vorgespannte Diode 64 verhindert die Entladung der kapazitiven Last über die positive Ladeschleife 42. Die durch die Linie d in F i g. 2 dargestellten Halteimpulse 92 werden auf den Eingang gegeben und gleichen den jeweiligen Ladungsverlust aus, so daß — 2000 Volt an der kapazitiven Last 46 aufrechterhalten werden.

Durch Vergrößern der Frequenz der Halteimpulse und 92 kann die Amplitude der der Lastspannung Vc überlagerten Sägezahnspannung verringert werden. In der Praxis wurde eine Schaltung mit 10-kHz-Halteimpulsen betrieben, wobei die Frequenz der Lastspannung Vc von 0 Hz (Gleichspannung) bis kHz variierte.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Speisung einer kapazitiven Last mit einer in der Polarität umkehrbaren Hochspannung mittels zweier antiparalleler, abwechselnd die Last speisender Spannungsquellen für unipolare Impulse, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spannungsquelle einen Hochspannungstransformator (47 bzw. 48) enthält, dessen Primärwicklung (56 bzw. 76) aus einem Niedergleichspannungskreis mit Ladeimpulsen (86 bzw. 90) beaufschlagt ist, daß der Ausgangskreis (42 bzw. 44) jeder Spannungsquelle aus der Reihenschaltung einer für den Speisestrom in Durchlaßrichtung gepolten Diode (64 bzw. 36), der Sekundärwicklung (62 bzw. 82) des Hochspannungstransformators (47 bzw. 48) und einer spannungsmäßig der Sekundärspannung des Hochspannungstransformators (47 bzw. 48) entgegengerichteten Konstant-Gleichspannungsquelle besteht und daß die Spannung der Konstant-Gleichspannungsquellen annähernd den gleichen Wert wie die Lastspannung und die Sekundärspannung der Hochspannungstransformatoren (47,48) annähernd den doppelten Wert wie die Lastspannung haben.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Zenerdioden (40,38) als Konstant-Gleichspannungsquellen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu jeder Zenerdiode (40, 38) ein Kondensator (68 bzw. 84) mit im Vergleich zur kapazitiven Last (46) erheblich größerem Kapazitätswert geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des durch Leckströme bedingten Ladungsverlustes der kapazitiven Last (46) die Primärwicklung (56 bzw. 76) des Hochspannungstransformators zusätzlich mit Halteimpulsen (88 bzw. 92) höherer Frequenz als der Frequenz der Ladeimpulse (86 bzw. 90) beaufschlagt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen