DE2017264B2

DE2017264B2 - Schaltungsanordnung zum erzeugen einer treppenfoermigen spannung

Info

Publication number: DE2017264B2
Application number: DE19702017264
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl -Ing 8000 München Hofmeister
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1970-04-10
Filing date: 1970-04-10
Publication date: 1977-10-13
Also published as: DE2017264A1; DE2017264C3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer treppenförmigen Span- nung mitt π einzeln auslösbaren Spannungsstufen.

Treppenförmige Spannungen werden in Bildwandler-Kameras zürn stüienweisen Verschieben des Elekironenbildcs bei Mchrfach-Aufnahmen, zum Verschieben der Zeitbasis im Elekironenstrahloszillographen, die zur gleichzeitigen Darstellung mehrerer periodischer Vorgänge dienen, 11. a. m. benötigt. Hierbei wird häufig ein groües Verhältnis zwischen Treppenlänge und Anstiegszeit sowie eine größere Anzahl von Treppen (Spannungsstufen) die gegebenenfalls einzeln auslösbar sein sollen, gefordert.

Aus der DT-AS 12 4/ 386 ist bereits eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen von zwei gegenläufigen, treppenförmigen Spannungen bekannt, die einen Spannungsteiler mit einer geradzahligen Gruppe von Teilwiderständen enthält, dessen Mitte durch ein mittels Auslöseimpulses zu tastendes Stromtor auftrennbar ist und dessen symmetrisch zur Mitte angeordnete Abgriffe jeweils paarweise durch ein weiteres mittels eines auf den Auslöseimpuls folgenden Impulses zu tastendes Stromtor überbrückt sind. Da die die Spannungsteilerwiderstände überbrückenden Schalter parallel zum Spannungsteiler liegen, lassen sich mit einer solchen Schaltungsanordnung jedoch nur relativ wenige Spannungsstufen erzeugen und die Übergänge zwischen den Stufen werden durch die verhältnismäßig großen SchalHingskapazitäten abgeflacht. Außerdem müssen den Stromtoren unterschiedliche Spannungen zugeführt weiden, einem davon die gesamte Summenspannung.

Es ist ferner aus der DT-AS 10 93 902 eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer stufenweise einstellbaren Spannung bekannt, die eine Anzahl von Gasentladungsröhren enthält, die jede für sich mit einem Vorschaltwiderstand und alle zusammen mit einem gemeinsamen Arbeitswiderstand in Reihe zwischen zwei Klemmen einer Spannungsquelle geschaltet sind. Die Röhren werden der Reihe nach gezündet, die dabei auftretenden Entladungsströme durchfließen den gemeinsamen Arbeitswiderstand und erzeugen an diesem einen entsprechenden Spannungsabfali. Nachteilig an dieser Schaltung ist, daß an allen Gasentladungsröhren eine Spannung liegt, die höher als die der höchsten Spannungsstufe ist.

Weiterhin ist aus der DT-AS 1140 970 eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer treppenförmigen Schwingung bekannt, die einen Spannungsteiler enthält, dess:en Teilerverhältnis mittels einer elektronischen Schaltvorrichtung für jede Stufe stufenweise geändert wird. Die Steuerung der Schaltvorrichtung erfolgt durch eine Frequenzteilerschaltung und ist daher verhältnismäßig kompliziert.

Aus der Zeitschrift »radio fernsehen elektronik« 18 (1969), Heft 6, Seiten 170 bis 172, ist ein Treppenspannungsgenerator bekannt, bei dem die Spannungsstufen durch einen konstanten Strom an einem Spannungsteiler mit verschiedenen Anzapfungen erzeugt werden. Mit einer solchen Schaltungsanordnung lassen sich Spannungsstufen mit kurzen Anstiegszeiten nicht erzeugen.

Es ist schließlich in der DT-OS 2014 526 ein Treppenspannungsgenerator zum Erzeugen einer Spannung mit η voneinander unabhängigen, einzeln auslösbaren Spannungsstufen vorgeschlagen würden, bei dem für jede Spannungsstufe ein Kondensator vorgesehen ist, der an eine Spannungsquelle zu seinem Aufladen auf eine Spannung, die mindestens etwas größer als die Spannung der betreffenden Spannungsstufe ist, angeschlossen und mit einer Entladeschaltung überbrückt ist, die einen im Ruhezustand geöffneten, individuell schließbaren Schalter in Reihe mit einem Arbeitswiderstand enthält, dessen eine Klemme mit einem Ende einrr

Reihenschaltung aus Spannungsstabilisierenden Bauelementen verbunden ist. welche Abgriffe entsprechend den gewünschten Spannungsstufen aufweist. Die andere Klemme des Arbeitswiderslandes ist über eine Diode mit dem zugehörigen Abgriff der Reihenschaltung aus den spannungsstabilisierendcu Bauelementen und über eine weitere Diode mit einer Klemme einer gemeinsamen Ausgangsimpedanz gekoppelt, deren andere Klemme mit dem erwähnten Ende der Reihenschaltung verbunden ist, wobei die beiden Dioden für die bei geschlossenem Schalter am zugehörigen Arbeitswiderstand abfallende Spannung in Flußrichtung gepolt sind. Die Schalter sind mit einer Steuervorrichtung gekoppelt, die sie in der Reihenfolge der zu erzeugenden Spannungsstufen, die ihrerseits den Ladespannungen der den Schaltern zugeordneten Kondensatoren entsprechen, nach Wunsch zu schließen gestattet, und die Ausgangsimpedanz ist mit Ausgangsklemmen verbunden. Hier wird praktisch jede Spannungsstufe für sich erzeugt, indem durch einen entsprechenden Abschnitt der Reihenschaltung aus den Spannungsstabilisierenden Bauelementen ein Strom geleitet wird. Die verschiedenen Abschnitte sind durch Dioden voneinander bezüglich der Ausgangsimpedanz entkoppelt. Die Ladespannung der Kondensatoren muß jeweils größer als die Summe der bis dahin erzielten Treppenspannungen sein, und die Schaltvorrichtungen müssen mit zunehmender Treppenspannung höhere Ströme führen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer treppenförmigen Spannung mit verhältnismäßig vielen, einzeln auslösbaren Spannungsstufen anzugeben, bei der ein großes Verhältnis zwischen Länge einer Spannungsstufe und Anstiegszeit erreichbar ist und alle für die Auslösung der Spannungsstufen verwendeten Schalter nur verhältnismäßig kleine Spannungen auszuhalten brauchen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Dadurch, daß die einzelnen Schaltungseinheiten so angeordnet sind, daß die Aufladung der Kondensatoren von der Ladespannungsquelle aus parallel erfolgt, die entstehende Treppenspannung aber die Summe der einzelnen Schaltspannungen darstellt, ergibt sich der Vorteil, daß die Versorgungsspannung nur unwesentlich größer als die einer einzelnen Treppe entsprechende Spannungsstufe zu sein braucht. Mit einer Ladespannung von etwa 400 Volt läßt sich also z. B. eine Treppenspannung mit 6 Treppen und 2400 Volt maximaler Spannung erhalten. Alle Schaltvorrichtungen liegen an derselben, verhältnismäßig kleinen Spannung, so daß die gleichen, preiswerten Bauelemente verwendet und die Schaltungseinheiten als gleiche Module aufgebaut werden können.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, es zeigt

F i g. 1 eine Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das zwei bezüglich Masse gegenläufige, treppenförmige Spannungen liefert,

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel eines elektronischen Schalters für die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 und

F: g. 3 ein zweites Ausführungsbeispie! eines elektronischen Schalters für die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1.

Fig. I zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Treppenspannungsgenerator für n, z. B. sechs einzeln auslösbare Spannungsstufen. Die Schaltungsanordnung enthält für jede Spannungsstufe eine Schaltungseinheit 10a, \0b, ..., 10/7 die identisch aufgebaut sein können, so daß im folgenden nur die Schaltungseinheit 10a im einzelnen beschrieben wird.

Die Schaltungseinheit 10a enthält einen Kondensator 10, dessen eine Klemme 12 über einen Ladewiderstand 14 mit der einen Klemme 16 einer nicht dargestellten Betriebsspannungsquelle und der einen Klemme eines Schalters 18 verbunden ist. Die andere Klemme des Schalters 18 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über einen Strombegrenzungswiderstand 20 mit einer ersten Anschlußklemme 22a der Schaltungseinheit 10a verbunden.

Die andere Klemme des Kondensators 10 ist an eine zweite Anschlußklemme 24a der Schaltungseinheit angeschlossen. Zwischen den Anschlußklemmen 22a und 24a liegt ein Arbeitswiderstand 26 der mit einer Diode 28 überbrückt ist. Die Diode 28 ist so gepolt, daß sie durch den Spannungsabfall am Widerstand 26, der bei geschlossenem Schalter 18 durch den Entladestrom des Kondensators 10 entsteht, in Sperrichtung vorgespannt wird.

Die andere (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die negative) Klemme der Betriebsspannungsquelle ist mit der Anschlußklemme 22a gekoppelt.

Die zweite Anschlußklemme 24a der Schaltungseinheit 10a ist mit der einen Anschlußklemme 226 der nächsten Schaltungseinheit iOb verbunden, deren zweite Anschlußklemme 24b wieder mit der ersten Anschlußklemme der nicht dargestellten folgenden Schaltungseinheit verbunden ist, so daß eine Reihenschaltung aus π Schaltungseinheiten 10 gebildet wird. Die* zweite Anschlußklemme 24/? der letzten Schaltungseinheit 10/3 bildet gleichzeitig die zweite Ausgangsklemme des Treppenspannungsgenerators.

Die gewünschte Treppenspannung kann zwischen den Klemmen 22a und 24n abgenommen werden. Wenn zwei bezüglich Masse symmetrische Treppenspannungen Ei und E₂ benötigt werden, können die Klemmen 22a und 24n jeweils über einen von zwei annähernd gleichen Widerständen 30, 32 mit Masse verbunden werden. Die gewünschten, gegenläufigen Treppenspannungen stehen dann zwischen den Klemmen 22a und 24/j einerseits und Masse andererseits zur Verfügung.

In den F i g. 2 und 3 sind zwei Ausführungsformen von elektronischen Schaltern dargestellt, die in der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 verwendet werden können.

Der Schalter 18' gemäß Fig.2 enthält einen Thyristor (SCR) 40, dessen Anode und Kathode mit den Schalterklemmen X verbunden sind. Steuerelektrode des Thyristors ist über eine Diode 42 mit der einen Klemme einer Sekundärwicklung eines Impulstransformators 44 verbunden, deren andere Klemme an die Kathode des Thyristors angeschlossen ist. Der Primärwicklung des Impulstransformators 44 ist ein Zündimpuls von einer nicht dargestellten Steuervorrichtung zuführbar.

Der Schalter 18" gemäß Fig.3 enthält statt des Thyristors 40 eine Hochvakuumröhre 50, z. B. eine Pentode oder Tetrode, die in bekannter Weise geschaltet ist. An die Stelle der Hochvakuumröhre 50 kann selbstverständlich auch ein entsprechend geschal-

tetes Thyratron (Stromtor) oder ein Transistor treten.

Im Betrieb werden die Kondensatoren 10 aller Schaltungseinheiten über die zugehörigen Ladewiderstände 14 auf die Spannung Ul der Betriebsspannungsquelle aufgeladen. Wird nun durch ein erstes Steuersignal der nicht dargestellten Steuervorrichtung der Schalter 18 der Schaltungseinheit 10a geschlossen, so liegt am Arbeitswiderstand 26 dieser Schaltungseinheit annähernd die Spannung U_L (vermindert um den Spannungsabfall an R_s und am Schalter 18 selbst). Der Wert des Arbeitswiderstandes 26 bestimmt zusammen mit der Kapazität des Kondensators 10 die Dachschräge der Spannungsstufe. Bei Verwendung eines Thyristors im Schalter 18 ist der Widerstandswert des Arbeitswiderstandes 26 nach oben durch den Mindest-Haltestrom des Thyristors begrenzt.

Die Anstiegszeit der Spannungsstufe zwischen den Klemmen 22a und 24n ist wegen der Dioden in den anderen Schaltungseinheiten der Reihenschaltung nicht durch die Summe der Widerstandswerte der Arbeitswiderstände dieser anderen Schaltungseinheiten und die Streukapazitäten bestimmt, sondern durch den im Verhältnis zum Widerstandswert des Arbeitswiderstandes 26 sehr kleinen Durchlaßwiderstand der zu den Arbeitswiderständen parallel geschalteten Dioden.

Deshalb können große Verhältnisse von Dachlänge zu Ansteigszeit erzielt werden.

Die aus den in Reihe geschalteten Schaltungseinheiten 10a bis 1On bestehende Schaltungsanordnung ist vom Erdpotential getrennt, so daß Erdschleifen vermieden werden, was zu sehr sauberen Treppen führt, außerdem kann die Schaltungsanordnung, wie erwähnt, durch die Widerstände 30 und 32 symmetrie« werden, wobei dann zwei bezüglich Masse symmetrische, treppenförmige Spannungen zur Verfügung stehen. Der Strombegrenzungswiderstand 20 ist nicht unbedingt erforderlich, er kann fehlen oder aus dem Innenwiderstand des Schalters 18 bestehen.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Erzeugen zweier symmetrischer, treppenförmiger Spannungen mit sechs Spannungsstufen zu je 200 V wurden folgende Schaltungsparameter verwendet:

Kondensator 10
Arbeitswiderstand 26

Widerstand 30

Widerstand 32

Ladewiderstand 14
Strombegrenzungswiderstand 20

400 V
4 μΡ
18 kOhm
30kOhm
36 kOhm
220 kOhm
47 Ohm

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer treppenförmigen Spannung mit π einzeln auslösbaren Spannungsstufen, welche für jede .Spannungsstufe eine Schaltungseinheit mit einem Kondensator, der mit einem Schalter und einem Arbeitswiderstand in Reihe geschaltet ist, einen Ladewiderstand zur Aufladung des Kondensators, der /wischen eine Klemme einer Spannungsqtielle und die Verbindung zwischen dem Kondensator und dem Schalter geschaltet ist, und eine mit dem Arbeitswidersiand gekoppelte Diode enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (28) dem Arbeitswiderstand (26) mit solcher Polung parallelgeschaltet ist, daß sie durch die bei geschlossenem Schalter (18) am Arbeitswiderstand (26) abfallende Spannung in Sperrichtung vorgespannt wird; daß die Arbeitswiderstände (26) aller Schaltungseinheiten (10a, iOb, ..., tOn) in Reihe zwischen zwei Ausgangsklemmen (22a, 24n) geschaltet sind, daß die eine Klemme (16) derSpannungsque/fe mit den Ladewiderständen (14) aller Stufen gekoppelt ist und daß die andere Klemme (Masse der Spannungsquelle) mit minde· stens einer Ausgangsklemme (22a, 22n) gekoppelt: ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Arbeitswiderstand (26) der Schaltungseinheit und den Schalter P (18) ein Strombegrenzungswiderstand (20) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (18') einen Thyristor (40) enthält, dessen Steuerelektrode mit einer in der Steuervorrichtung enthaltenen Zündimpulsquelie gekoppelt ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (18") eine Hochvakuumröhre, insbesondere eine Tetrode oder Pentode (50) enthält, deren Steuerelektrode mit einer in der Steuervorrichtung enthaltenen Auftastimpulsquelle gekoppelt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (1&) ein as Thyratron (Stromtor) enthält, dessen Steuerelektrode mit einer in der Steuervorrichtung enthaltenen Auftastimpulsquelle gekoppelt ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (18) einen Transistor enthält, dessen Basis mit einer in der Steuervorrichtung enthaltenen Auftastimpulsquelle gekoppelt ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Erzeugen zweier bezüglich Masse symmetrischer, treppenförmiger Spannungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen (22a, 24n) jeweils über einen V/iderstand (30 bzw. 32) mit Masse verbunden sind.

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