DE2056797B2 - Schaltungsanordnung zur umschaltung einer kapazitiven last zwischen zwei potentialen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur schnellen Umschaltung einer überwiegend kapazitiven, einseitig geerdeten Last zwischen zwei Potentialen, mit einer Gleichspannungsquelle, die über einen hochohmigen Ladewiderstand mit der Last verbunden ist, und mit einem Steuerkreis, der parallel zur Last am Ladewiderstand angeschlossen ist und als steuerbare Impedanz wirkt.

Bekanntlich ist die Dauer des Übergangs zwischen diesen beiden Potentialen um so langer, als die in Frage kommende Last eine hohe Kapazität bezüglich Masse darstellt und die Gleichspannungsquelle eine hohe Ausgangsimpedanz bildet. Diese Quelle muß bei jeder Umschaltung die Kapazität über diese Impedanz laden oder entladen. Es besteht um so mehr das Interesse, in gewissen Fällen diesen Übergang so kurz wie möglich zu machen. Insbesondere läßt sich die vorliegende Erfindung bei der Umschaltung der Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls einer bichromatischen Anzeigekathodenstrahlröhre anwenden. Es ist bekannt, daß eine solche Röhre einen Schirm aufweist, der mit zwei Arten von Luminophoren versehen ist, welche in zwei übereinanderliegenden Schichten angeordnet sind, die aufeinanderfolgend durch die Elektronen des Strahls getroffen werden, wenn diese passend beschleunigt werden. Die erste dieser Schichten Hefen z. B. eine rote Lumineszenz und die zweite eine grüne Lumineszenz. Wenn der Elektronenstrahl unter einer Spannung von z. B. 14 kV beschleunigt wird, dann durchquert er die erste Schicht, wobei er nur eine sehr schwache rote Lumineszenz anregt, und erreicht die zweite Schicht, bei der er die grüne Lumineszenz anregt. Auf dem Schirm erscheint dann ein grüner Punkt. Wenn demgegenüber der Elektronenstrahl nur unter einer Spannung von z. B. 6 kV beschleunigt wird, dann bleiben die Elektronen in der ersten Schicht der Luminophore stehen, welche dann die einzige angeregte Schicht ist. Auf dem Schirm erscheint in diesem Fall ein roter Punkt. Es ist auch durch Strahlablenkung und durch Umschaltung der Beschleunigungsspannung möglich, auf dem Schirm grüne und rote Bilder erscheinen zu lassen. Zwischenfarben lassen sich selbstverständlich durch Gebrauch von gleichermaßen dazwischenliegenden Beschleunigungsspannungen erreichen.

In nachteiliger Weise stellt der Schirm, der selbstverständlich zur Vermeidung einer Raumladungsausbildung aufgrund der Elektronenbeschießung ein Leiter sein muß, eine Störkapazität dar, die sehr bedeutend, z. B. 200 pF, sein kann. An diesen Schirm wird nun die Beschleunigungsspannung angelegt, wobei die Kathode der Elektronenkanone an Masse liegt. Die Quelle der umschaltbaren Spannung, die diese Beschleunigungsspannung liefert, bildet andererseits eine im allgemeinen bedeutende Ausgangsimpedanz, denn die Leistung, für die sie gebaut sein muß, ist um so größer, je niedriger diese Impedanz gewählt wird. Daraus ergibt sich, daß sich bei jeder Spannungsumschaltung die neue Beschleunigungsspannung erst am Ende einer Übergangsperiode einstellt, deren Dauer störend sein kann. Wenn man will, daß diese Dauer geringer als z. B. 50 μ8 ist, ist es notwendig, die Quelle der umschaltbaren Spannung für eine Leistung vorzusehen, die mehrere hundert Watt erreichen kann. Dies macht die Quelle schwer und teuer sowie vergrößert den Energieverbrauch.

Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Schaltungsanordnung der eingangs definierten Art geschaffen werden, bei der die Umschaltzeit kurz ist und an deren Ausgang Signale von verbesserter Form abgegeben werden.

Gemäß der Erfindung ist diese Schaltungsanordnung

h5 dadurch gekennzeichnet, daß außerdem an der Last ein Lade- und ein Entladehilfszweig angeschlossen sind, die je aus der Serienschaltung einer Gleichspannungsquelle, der Sekundärseite eines Impulsübertragers und einer

Diode besteht, wobei die Primärseiten der Übertrager oder Impulsverstärker verstärkte Steuerimpulse aus dem Steuerkreis je nach der Richtung der gewünschten Umschaltung erhalten, derart, daß bei jeder Umschaltung an die Diode mindestens eines der Hilfszweige ein Spannungsimpuls solcher Amplitude gelangt, daß die Diode kurzzeitig leitend wird und Strom zur bzw. von der Last führt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Anhand der F i g. 1 bis 3 wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild dieses Ausführungsbeispiels und die Fig.2 und 3 je ein Detail aus der Schaltung nach F i g. 1.

Die in F i g. 1 gezeigte Schaltung ist die Schaltung, welche die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls einer mit 2 bezeichneten bichromatischen Anzeigekathodenstrahlröhre liefert. Die Kathode der Elektronenkanone ist nicht dargestellt. Sie ist auf elektrisches Massepotential gelegt. Das positive Beschleunigungspotential des Strahls ist am Schirm 4 der Röhre 2 angelegt. Dieser Schirm 4 bildet in bezug auf die elektrische Masse eine Störkapazität, welche symbolisch als Kondensator 6 dargestellt ist. Die dem Rot und dem Grün entsprechenden Beschleunigungsspannungen sind sechs und vierzehn Kilovolt Dazwischenliegende Spannungen können zur Erzielung von Zwischenfarben benutzt werden.

Die dem Schirm 4 zugeführte Spannung wird von einer Quelle 8, auch Speisegenerator genannt, geliefert. Dieser Generator liefert eine Gleichspannung von 21 kV an ein gesteuertes Einstellglied 10. Dieses Einstellglied 10 weist zuerst einen Ladewiderstand 12 auf, der mit dem Speisegenerator 8 mit dem einen seiner Anschlüsse und mit dem Schirm 4 über den anderen Anschluß verbunden ist Der durch den Widerstand 12 fließende Strom wird durch eine aus einer Vakuumtriode 14 und einem Transistor 16 bestehende Serienschaltung gesteuert Das Gitter der Triode 14 liegt an einem festen Potential (± 24 V) und die Kathode dieser Triode ist direkt mit dem Kollektor des Transistors 16 verbunden, dessen Emitter über einen Vorwiderstand 18 an eine Quelle festen Potentials von minus 24 V gelegt ist Diese Serie bildet eine bekannte und als Cascode-Hybrid bezeichnete Schaltung. In dieser Schaltung nimmt die Triode 14 den wesentlichen Teil der Potentialdifferenz auf. Der Strom wird durch die Zwischenschaltung des Transistors gesteuert. Zur Durchführung dieser Steuerung ist die Basis des Transistors 16 mit dem Ausgang eines sättigbaren Differentialverstärkers 20 verbunden, dessen einer Eingangsanschluß (positiver Anschluß) an mittels eines elektronischen Umschalters 22 umschaltbare.i Bezugspotentialen liegt Zum einfacheren Verständnis der Zeichnung ist dieser Umschalter 22 als mechanischer Umschalter dargestellt und mit einem von einer Quelle 23 gespeisten Widerstandsteiler 21 verbunden. Der andere Eingang des Verstärkers 20 ist an den Ausgangsanschluß eines Widerstandsteilers 24 angeschaltet, der zwischen Masse und dem Schirm 4 eingeschaltet ist. Der Steuerverstärker 20 steuert über den Transistor 16 den durch den Widerstand 12 fließenden Strom und demnach den Spannungsabfall an diesem Widerstand 12, d. h. schließlich das am Schirm 4 anliegende Potential. Die Schaltungsgruppe bildet das am Schirm 4 anliegende Potential. Die Schaltungsgruppe bildet also eine Regelschleife. Sie stellt einen gewöhnlich benutzten Generator einer umschaltbaren Spannung dar.

In nachteiliger Weise ergibt sich jedoch eine durch die Werte des Widerstands 12 und der Störungskapazität 6 bedingte Zeitkonstante. Diese Störkapazität läßt sich jedoch kaum verringern. Was den Widerstand 12 betrifft, so erfordert seine Verringerung eine Vergrößerung des Stromes vom Ausgang des Speisegenerators 8, d. h. eine Vergrößerung der Verlustleistung und eine

Forderung an höhere Leistungsfähigkeit für die Triode

14 und den Transistor 16. Daraus ergibt sich eine Zunahme an Gewicht, Kosten und Verbrauch des Generators umschaltbarer Spannung.

Deswegen wird nach der vorliegenden Erfindung eine

Kompensatorschaltung verwendet, die zur Beschleunigung der Ladung des Schirmes 4 vorgesehen ist, wenn sein Potential von 6 auf 14 kV übergehen soll. Im umgekehrten Fall wird die Entladung beschleunigt. Diese Kompensatorschaltung weist insbesondere

eine aus zwei Verstärkern 40 und 41 bestehende Leistungsstufe auf. Diese Stufe wird durch den Differentialverstärker 20 über zwei einstellbare Potentiometer 30 und 31 gesteuert, welche von den Eingängen für die Ladung 32 und Entladung 33 und von einer

Sperrschaltung 50 gespeist werden. Diese Sperrschaltung 50 später noch näher beschrieben und kann im Augenblick so verstanden werden, daß sie genau und einfach die Signale überträgt, welche sie empfängt. Diese Sperrschaltung 50 bildet mit den Verstärkern

40 und 41 den vorher erwähnten Impulsgenerator. Ihr Ladeausgang 540 und Entladungsausgang 550 sind mit dem Eingang 32 bzw. 33 verbunden.

Der Verstärker 40 speist die Primärseite eines Transformators 60, dessen Sekundärseite zwischen dem positiven Anschluß einer Umschaltquelle 70 und der Anode eines Gleichrichters 62 liegt, dessen Kathode mit dem Schirm 4 verbunden ist. Der negative Anschluß der Quelle 70 liegt an Masse. Ihre Spannung beträgt 6 kV. Ihr positiver Anschluß ist andererseits mit dem

negativen Anschluß einer anderen Umschaltquelle 72 von einer Spannung gleich 8 kV verbunden. Der positive Anschluß dieser Quelle 72 ist über die Sekundärseite eines Transformators 61 mit der Kathode eines Gleichrichters 63 verbunden, dessen Anode am Schirm 4 angeschlossen ist. Die Primärseite des Transformators 61 wird durch den Verstärker 41 gespeist.

Diese Organe bilden zwei Zweige der Kompensatorschaltung nach der Erfindung und stellen einen zweiten Teil der Schaltung dar. Der erste Teil wird durch den

vorher erwähnten Impulsgenerator gebildet. Einer dieser Zweige, der Ladezweig, weist den Transformator 60, den Gleichrichter 62 sowie die Quelle 70 auf, der andere, der Entladezweig, den Transformator 61, den Gleichrichter 63, die Quelle 70 und die Quelle 72. Man sieht, daß einige Elemente beiden Zweigen gemein und andere unterschiedlich sind. Abweichungen sind jedoch möglich. Es wäre z. B. möglich, zwei solche Quellen wie die Quellen 70 oder einen gemeinsamen Transformator zu verwenden, unter der Bedingung, die Störkapazität der Quelle 72 zu verkleinern und einen Verstärker vorzusehen, der die Rolle der Verstärker 40 und 41 auf einmal spielt, d.h., daß sich an der Primärseite abwechselnd positive und negative Impulse anlegen lassen. Die Erklärung der Arbeitsweise der in der Figur

b^r> dargestellten Schaltung läßt sich ohne Schwierigkeiten auf verschiedene Varianten übertragen, deren Möglichkeit erwähnt wurde.
Die Arbeitsweise der Kompensatorschaltung nach

der Erfindung wird zuerst für den Fall eines Übergangs des Potentials des Schirms 4 und 6 auf 14 kV beschrieben. Die Sekundär-Wicklung des Transformators 60 liefert bei der Umschaltung einen positiven Impuls von 8 kV. Dieser Impuls, der der EMK der Quelle 70, 6 kV, dazugefügt wird, macht die Diode 62 leitend und liefert einen Ladestrom an den Schirm 4.

Wenn es sich darum handelt, den Schirm 4 vom Potential 14 kV auf das Potential 6 kV übergehen zu lassen, dann liefert die Sekundärseite des Transformators 61 einen negativen Impuls von 8 kV. Dieser wird von der EMK der Quelle 70 und 72 in Serie zueinander, 14 kV, abgezogen, was die Diode 63 leitend macht. Der diesem Impuls entsprechende Strom entlädt dann die Kapazität 6.

Die Schaltung nach der Erfindung erlaubt also das Anlegen negativer oder positiver Impulse, entsprechend den Fällen, an einem Schirm, dessen Potential bald 6 kV, bald 14 kV beträgt. Die beschriebene Schaltung verhindert selbstverständlich nicht das Anlegen von Zwischenpotentialen an den Schirm 4.

In Fig. 2 ist ein für die Quelle mögliches Ausführungsbeispiel dargestellt. Es besteht aus einer Reihe von Zenerdioden, von denen hier zwei 721 und 722 dargestellt sind. Die Aufgabe dieser Dioden besteht in der Begrenzung der Potentialdifferenz zwischen der Belegung eines Kondensators 724 großer Kapazität im Verhältnis zur Kapazität des Schirmes 4 auf δ kV. Die Arbeitsweise dieser Quelle erklärt sich aus der Tatsache, daß bei aufeinanderfolgenden Ladungen und Entladungen des Schirmes 4 die durch die Quelle 72 fließenden Ströme dazu neigen, den Kondensator 724 zu laden. Es genügt also, um ihre Spannung bei 8 kV aufrechtzuerhalten, parallel eine Spannungsbegrenzerschaltung anzuordnen. Die Kapazität des Kondensators 724 muß selbstverständlich groß im Verhältnis zum Schirm 4 sein, derart, daß die Innenimpedanz der Quelle 72 im Verhältnis zur Impedanz des Schirmes gering erscheint.

In Fig. 3 ist ein für die Quelle 70 mögliches Ausführungsbeispiel dargestellt. Es weist eine Reihe von Zenerdioden wie 70i und 702 auf, weiche eine Begrenzung der Spannung an den Anschlüssen eines Kondensators 704 auf 6 kV sichern. Dieser Kondensator wird, ausgehend von der Quelle 8, von einem Speiseanschluß 705 über einen Widerstand 706 geladen. Der Kapazitätswert des Kondensators 704 ist im Verhältnis zu dem des Schirms 4 groß und der Wert des Widerstandes 706 ist gleichermaßen so groß, daß der von der Quelle 8 abgegebene Strom klein ist. Der Wert dieses Stroms ist mit Rücksicht auf die Zenerdioden, 701 und 702, so gering gewählt wie möglich, derart, daß diese mit korrekter Sicherheit ihre Rolle als Spannungsbegrenzer ausüben können. Die Arbeitsweise dieser Quelle erklärt sich aus der Tatsache, daß der mittlere Strom, den sie abgibt, bei einer Aufeinanderfolge von Ladungen und Entladungen des Schirms 4 Null beträgt. Die Werte der vorher angegebenen Spannungen sind selbstversländlich nicht als ganz streng anzusehen. Einstellungen sind selbstverständlich in Abhängigkeit der Merkmale verschiedener benutzter Komponenten erforderlich.

Die Funklion der Sperrschiillung 50 (Fig. 1) wird jetzt erklärt als Beispiel für den Fall eines Übergangs des Potentials des Schirms 4 von 6 auf 14 kV. Der I Jhergangsvorgang beginnt mit einer quasi unvcrzögericn Änderung des vom Umschnlu-r 22 an den Diffcrentiulvcrstiirkcr 20 (.'(.'liulcricn Bcvugspoientials. Dieser Verstärker 20 suingI sich und gibl ein positives Ausgangssignal ab, welches geeignet ist, den Leistungsverstärker 40, wie vorher erklärt, in Betrieb zu setzen. Der durch diesen Verstärker gelieferte Impuls besitzt genügend Energie, um über den Transformator 60 in einer Zeit in der Größenordnung von beispielsweise 20 Mikrosekunden die Ladung der Störkapazität 6 des Schirms 4 sicherzustellen.

Aber dieser Transformator bildet eine nicht vernachlässigbare Induktivität und es ergibt sich daraus ein

ίο Schwingungsvorgang (Überschwingen), der auf ein zeitweise Ansteigenlassen des Potentials des Schirms 4 ein wenig über 14 kV abzielt, was folgenden Nachteil mit sich bringen könnte: der Differentialverstärker 20 würde sich in umgekehrter Richtung wie vorher sättigen und würde ein negatives Signal liefern. Dieses Signal würde den Leistungsverstärker 41 in Betrieb setzen, was sehr schnell und beträchtlich das Potential des Schirms 4 abnehmen ließe. Daraus ergäbe sich schnell eine neue Änderung im Zustand des Differentialverstärkers 20 und eine neue Inbetriebsetzung des Verstärkers 40 und ein neues Anwachsen des Potentials des Schirms 4. Dieses neue Anwachsen wäre langsam, da der Verstärker 40 nicht für die Abgabe zweier gleicher Energieimpulse in nahen Intervallen entworfen ist (zehn Mikrosekunden z. B.). Dieses neue Anwachsen würde beispielsweise 150 Mikrosekunden dauern, was das Interesse an der Schaltung nach der Erfindung beträchtlich vermindern würde. Die Funktion der Sperrschaltung 50 ist es, zu vermeiden, daß der

Verstärker 41 nicht durch ein störendes Überschwingen, gleich nachdem der Verstärker 40 in Betrieb genommen wurde, in Betrieb gesetzt wird.

Zu diesem Zweck weist diese Schaltung zwei Schwellenwertkreise 52 und 53 auf, die ein Ausgangssignal vom Differentialverstärker 20 erhalten. Der Kreis 52 liefert an einen ersten Eingang eines Gatters 54 vom Typ NAND ein Signal vom Wert einer logischen 1, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 20 positiv ist. Der Kreis 53 liefert an einen ersten Eingang eines Gatters 55 vom gleichen Typ ein Signal vom Wert einer logischen 1, wenn das Ausgangssignal des gleichen Verstärkers negativ ist.

Eine Verzögerungsschaltung 56 empfängt das vom Schwellenwertkreis 53 abgegebene Signal, verlängert es während einer geeigneten Dauer und überträgt es bei vollkommener Invertierung an den zweiten Eingang des Gatters 54, wodurch dieses Gatter eine Inbetriebsetzung des Verstärkers 40 während dieser Dauer verhindert.

In gleicher Weise empfängt eine Verzögerungsschal tung 57 das vom Schwellenwertkreis 52 abgegebene Signal, verlängert es während derselben geeigneten Dauer und überträgt es bei vollkommener Invertierung an den zweiten Eingang des Gatters 55, wodurch dieses Gatter eine Inbetriebsetzung des Verstärkers 41 während dieser Dauer verhindert.

Man sieht, daß diese Sperrschaltung die Wirkung der Vermeidung eines Arbeitens des Entladekreises (Gatter 55, Verstärker 41, Transformator 61) während einer

hu passenden Dauer nach der Arbeit des Ladekreises hat und umgekehrt. Diese Dauer beträgt beispielsweise 60 Mikrosekunden. Sie ist genügend klein, um nicht den maximalen Umschalttaki des Potentials des Schirms 4 /u verringern, und genügend groß, um zu vermeiden

>,; daß die zur Inbetriebsetzung des Ladezweiges (oder Kntladczwciges) ausgelösten Schwingungen nicht eine tin/citigc Inbetriebsetzung des Entladczwcigcs (oder des Lade/wcigcs) nach sich ziehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur schnellen Umschaltung einer überwiegend kapazitiven, einseitig geerdeten Last zwischen zwei Potentialen, mit einer Gleichspannungsquelle, die über einen hochohmigen Ladewiderstand mit der Last verbunden ist, und mit einem Steuerkreis, der parallel zur Last am Ladewiderstand angeschlossen ist und als steuerbare Impedanz wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem an der Last (6) ein Lade- und ein Entladehilfszweig angeschlossen sind, die je aus der Serienschaltung einer Gleichspannungsquelle (70 bzw. 70 und 72), der Sekundärseite eines Impulsübertragers (60 bzw. 61) und einer Diode (62 bzw. 63) besteht, wobei die Primärseiten der Übertrager über Impulsverstärker (40 bzw. 41) verstärkte Steuerimpulse aus dem Steuerkreis (10) je nach der Richtung der gewünschten Umschaltung erhalten, derart, daß bei jeder Umschaltung an die Diode mindestens eines der Hilfszweige ein Spannungsimpuls solcher Amplitude gelangt, daß die Diode kurzzeitig leitend wird und Strom zur bzw. von der Last führt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (70) eines der Hilfszweige auch für den zweiten Zweig wirkt und daß in diesem zweiten Zweig eine zweite Gleichspannungsquelle (72) in Serie zur ersten Gleichspannungsquelle angeordnet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gleichspannungsquelle (72) aus einem Kondensator (724) besteht, dessen Kapazität wesentlich größer als die der Last ist und dem ein spannungsstabilisierender Zweipol parallelgeschaltet ist (721,722).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zweigen gemeinsame Gleichspannungsquelle (70) aus einem Kondensator (704) besteht, dessen Kapazität wesentlich über der der Last liegt und dem ein spannungsstabilisierender Zweipol (701, 702) parallelgeschaltet ist, und daß dieser Zweipol über einen Widerstand (706) mit Gleichstrom versorgt wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Impulsverstärkern (40 und 41) eine Sperrschaltung (50) vorgeschaltet ist, die den Eingang eines der Impulsverstärker für eine vorgegebene Dauer sperrt, wenn der jeweils andere Impulsverstärker aktiviert wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschaltung (50) zwei Schwellwertkreise (52, 53) zur Diskriminierung der zur Aktivierung des einen oder anderen Hilfszweigs führenden Steuersignale und diesen nachgeordnet je ein Gatter (54, 55) aufweist und daß die beiden Gatter überkreuz mit den beiden Schwellwertkreisen über invertierende Verzögerungsglieder (56,57) verbunden sind.