DE2162889C3

DE2162889C3 - Schaltung zur Erzeugung steil ansteigender Spannungs- bzw. Stromimpulse

Info

Publication number: DE2162889C3
Application number: DE19712162889
Authority: DE
Inventors: Guenter 2050 Hamburg Hatje
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-12-17
Filing date: 1971-12-17
Publication date: 1981-09-17
Also published as: DE2162889B2; DE2162889A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Erzeugung steil ansteigender Spannungs- bzw. Stromimpulse unter Verwendung von zumindest zwei in Serie zu einem Lastwiderstand parallelgeschalteten Zweigen aus Avalanchetransistoren.

Für viele technische Fälle, z. B. zur Ansteuerung von Lasern werden hochenergetische Einzelimpulse mit einem Impulsabstand von wenigen Nanosekunden benötigt, wobei Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten von mehr als 100 Volt/Nanosekunde und Stromanstiegsgeschwindigkeiten von mehr als 50 A/Nanosekunden erwünscht sind. Für solche Zwecke sind Impulsformerschaltungen bekannt, mit denen kurze Impulse herstellbar sind, wobei es jedoch erforderlich ist, daß die Last, an der sich der Impuls ausbildet rein ohmisch ist. Wenn der Lastwiderstand mit einem Blindanteil behaftet ist, läßt sich mit derartigen Schaltungen der gewünschte hohe Impuls nicht erzeugen.

Für die Ansteuerung von Lasern ist es auch bekannt, Avalanchetransistoren zu benutzen, um unter Ausnutzung des Avalancheeffektes möglichst hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten zu erzielen (DE-AS 65 202).

Dabei sind in Serie zu einer Laserdindc zwei

Avalanchetransistoren unter galvanischer Verbindung der Basen parallel geschaltet, die somit gleichzeitig rrit dem Steuerimpuls beaufschlagt werden. Dieses gleichzeitige Zünden der parallelgeschalteten Avalanchetran-

ί sistoren soll Schwierigkeiten vermeiden, die durch zeitlich unterschiedliches Zünden ausgelöst sein sollen. Zur Erhöhung der Stromstärke des über die Laserdiode fließenden Impulsstromes erfolgt die Ansteuerung über eine Ansteuerstufe, die ihrerseits mit einem Avalanche-ίο transistor aufgebaut und in Emitterfolgeschaitung vorgeschaltet ist. Zur Festlegung der Dauer des Impulsstromes sind an die Kollektoren der Avalanchetransistoren widerstandsmäßig abgestimmte Entladungsleitungen angeschlossen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine In:pulsformerschaltung zu schaffen, mit der ein Spannungsimpuls erzeugt werden kann, der in möglichst kurzer Zeit einen hohen Strom durch einen niederohmigen Widerstand fließen lassen kann, auch wenn dieser Widerstand mit einem Blindanteil behaftet ist. Dabei soll die Impulsformerschaltung für eine spezielle Anwendung zur Ansteuerung von Gaslascrn dazu in der Lage sein. Impulse mit einer Spannungsanstiegsgeschwindigkeit von mehr als 100 V/Nanosekunde und einer Stromanstiegsgeschwindigkeit von mehr als 50 A/Nanosekunde zu erzeugen, wobei die Impulsform bezüglich des Amplitudenverlaufs durch den Aufbau der Schaltung einstellbar ist.

Ausgehend von der eingangs erwähnten Schaltung

«ι wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im ersten Zweig der Parallelschaltung eine Vielzahl von Avalanchetransistoren (Tu bis T\„) in Serie geschaltet ist, und daß der jeweils erste Avalanchetransistor (Tj\ bis T„\) des zweiten Zweigs und der folgenden

J5 Zweige der Parallelschaltung mit einer Ansteuerspannung verzögert ansteuerbar sind.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Ansteuerspannungen der Avalanchetransistoren (Ti\ bis T„i) der zweiten und folgenden Zweige

■in der Parallelschaltung nacheinander vor. Serienabgriffen eines Basiswiderstandes (Rbi\ bis Rbn\) des vom Steuerimpuls beaufschlagten ersten Avalanchetransistors (Τι τ) abgreifbar sind.

Mit einer nach der Erfindung aufgebauten Schaltung

•r> lassen sich hochenergetische Einzelimpulse mit einem Impulsabstand von wenigen Nanosekunden erzeugen, wobei diese Impulse durch sehr steile Anstiegsflanken gekennzeichnet sind. Durch die Anzahl von Avalanchetransistoren in den einzelnen Parallelzweigen läßt sich

ίο die Stromanstiegsgeschwindigkeit auch bei induktiven oder kapazitiven Lastanteilen einstellen, wogegen die Anzahl der Parallelzweige für die Einstellung der maximal erzielbaren Impulsbreite ausschlaggebend ist. Damit ist es möglich, durch die Auswahl der

v> entsprechenden Anzahl von Avalanchetransistoren, sowohl in den einzelnen Zweigen, als auch durch die Auswahl der Anzahl der Zweige, die Impulsform in gewünschter Weise einzustellen. Durch die Auswahl der Abgriffe läßt sich der zeitliche Ansatzpunkt für den

ho Avalancheeffekt der einzelnen Parallelzweige festlegen, wodurch sich die Welligkeit des Impulsdaches einerseits und die Basisimpulsbreite andererseits einstellen läßt.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß im zweiten und in den folgenden Zweigen der

h"< Parallelschaltung jeweils eine Vielzahl von Avalanche-Ininsistoren in Serie geschaltet ist.

Es ist auch vorgesehen, daß der zweite Zweig und clic folgenden Zweige der Parallelschaltung eine abnehmen·

de Anzahl von in Serie geschalteter Avalanchetransistoren umfassen. Bei diesem Schaltungsaufbau ergibt sich ein Impuls mit einem sehr steilen Anstieg und einem verhältnismäßig breiten abfallenden Impulsdach.

Schließlich sieht die Erfindung als weitere Ausgestaltung vor, daß der zweite Parallelzweig und die folgenden Parallelzweige ans jeweils nur einem Avalanchetransistor bestehen. Mit einem solchen Schaltungsaufbau läßt sich ein hochenergetischer Impuls mit einen ausreichend steilen Flankenanstieg zur Aussteuerung von Gaslasern erzielen.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt

Fi g. 1 eine Impulsformerschaltung gemäß der Erfindung zur Erzeugung kurzer und steil ansteigender Impulse;

Fig.2, 3 und 4 Pulsdiagramme anhand deren Ausgestaltungen der Erfindung und Schaltungsparameter erläutert werden.

In Fig.! ist eine Impulsformerschaltung dargestellt, die aus 4 Zweigen einer Parallelschaltung besteht, welche in Serie zu einem Lastwiderstand Wi liegen. Der erste Zweig umfaßt eine Anzahl von in Serie geschalteten Avalanchetransistoren Ti₁, Tm, ... Ti_n, wogegen der zweite, dritte und n-te Zweig nur einen Avalanchetransistor 7Ji bzw. Tn bzw. T„\ umfaßt. Die Avalanchetransistoren sind über Kollektorwiderstände an Versorgungsspannungen Uu U2, U) ... U-, angeschlossen. Die Kollektorwiderständc des ersten Zweiges bilden Teilwiderstände eines Spannungsteilers aus den Widerständen Wio, Wn ... Ri_n-U R\n- Dabei wirkt jeweils die Summe der Teilwiderstände zwischen der Spannungsversorgung Ui und dem Kollektor des entsprechenden Avalanchetransistors als Kollektorwiderstand. Zwischen den einzelnen Kollektoren der Avalanchetransistoren und Masse liegen jeweils Speicherkondensatoren Cn, Cu ... Q_n, C21, Cn ... C_n]. An diesen Speicherkondensatoren bildet sich im Ruhezustand der Schaltung ein Potential aus, das von den Versorgungsspannungen bzw. den Kollektorwiderständen in den Zweigen mit mehreren Avalanchetransistoren entsprechend dem Teilverhältnis bestimmt ist. Die Versorgungsspannungen U\, Ui ... U_n bestimmen sich aus der Anzahl der Avalanchetransistoren in dem jeweiligen Zweig sowie den charakteristischen Werten der entsprechenden Avalanchetransistoren. Die Versorgungsspannungen können zwischen Werten von etwa 20 Volt bis 200 Volt und darüber liegen. Entscheidend für die Werte der Vvirsorgungsspannung ist die Kollektor-Emitterspannung der Avalanchelransistoren, bei welcher der Avalanchceffekt nach einer entsprechenden Ansteuerung der Basis ausgelöst wird. Für die Auslösung des Avalancheeffektes ist ferner ein, eine Rückkopplung darstellender Widerstand parallel zur BasisEmitterstrecke der Avalanchetransistoren erforderlich. Dieser Widerstand setzt sich bei den jeweils ersten Avalanchetransistoren der einzelnen Zweige aus Teilwiderständen des Pasis-Ableilwiderstandes des ersten Avalanchetransistor« Tn im ersten Zweig der Parallelschaltung zusammen. Danach bildet die Summe der Teilwiderstände R„\\. Rm\, Rb» ... Wm den Rückkopplungswiderstanil für den ersten Avalanchetransistor Tu, wogegen die Summe der Teilwiderstände RhH. Wh₁I ... Whni diesen Rückkopplungswiderstand für den Avalanchetransistor T_2i im zweiten Zweig, und die Stimme der Teilwiderstä'k'e Wmi .. ■ Wj_1n 1 entsprechend den Rückkopplungswiderstand für den Avalanchetransistor 7"i| im dritten Zweig bildet. Für den Avalanchetransistor Tni im letzten Zweig wirkt nur der Teilwiderstand Rbn\ als Rückkopplungswiderstand. Die ⁷. Ansteuerung der Impulsformerschaltung erfolgt über eine Klemme K, über welche ein Steuerimpuls an den aus den Teilwiderständen aufgebauten Basis-Ableitwiderstand und damit an den ersten Avalanchetransistor des jeweiligen Zweiges angelegt wird.

m Zur Erklärung der Funktionsweise isi davon auszugehen, daß bei den Avalanchetransistoren der Avalancheeffekt ausgelöst wird, wenn eine an die Klemme K angelegte impulsförmige Ansteuerungsspannung einen bestimmten Amplitudenwert erreicht hat. Wenn man ^r< davon ausgeht, daß für die Schaltung gleiche Avalanchetransistoren Verwendung finden, so muß an der Basis eines jeden der Transistoren Tn, T21 ... T_n\ dieser bestimmte Spannungswert erreicht sein, bevor der Avalanchetransistor durchbricht. Da sich die an die

.'(ι Klemme K angelegte Anstcuerspannung an den aus den Teilwiderstär.den R_bi\. Rat ■■■ Rbn\ H-?s Basis-Ableitwiderstandes des ersten Avalanchetransistor aufbaut, und da diese in;pulsförmige Ansteuerspannung eine endliche Anstiegszeit aufweist, wird der bestimmte, den

-»·"> Avalancheeffekt auslösende Amplitudenwert an der Basis der Avalanchetransistoren Tn, T21... T„\ mit einer fortschreitenden Ze^:tverzögerung erreicht, die dem Teilungsverhältnis der Teilwiderstände Rbu, Wwi ...Rbn\ proportional ist. Durch eine Änderung dieses Teilungs-

ii> Verhältnisses kann der Einsatzzeitpunkt des Avalancheeffektes der einzelnen Zweige der Parallelschaltung eingestellt werden.

Mit dem Durchbruch des ersten Avalanchetransistors eines Zweiges ändern sich die Spannungsverhältnisse

i^ri am jeweils nächsten Avalanchetransistor der Serienschaltung derart, daß auch dieser in den Durchbruch gesteuert wird. Somit bildet sich an dem Lastwiderstand Wi ein Strom aus, der aufgrund des sich in extrem kurzer Zeitfolge einstellende Seriendurchbruchs eines Zweiges

■»<> eine extrem steile Anstiegsflanke hat. Der sich kurzzeitig später einstellende Seriendurchbrucli des zweiten bzw. des dritten und η-ten Zweiges gewährleistet, daß der Strom durch den Lastwiderstand Wi über eine längere Zeit aufrecht erhalten werden kann, wobei

■i^r> die Anzahl der in den Zweigen in Serie geschalteten Avalanchetransistoren für die Größe des Amplitudenwertes verantwortlich ist.

Die in den Fig.2 bis 4 dargestellten Diagramme zeigen den Einfluß von Parameteränderungen bei der

'''i erfindungsgemäßen Impulsformerschaltung. In Fig. 2 ist ein Impuls dargestellt, wie er sich an dem Lastwiderstand W-, als Überlagerung aufgrund des Stromes durch die verschiedenen Zweige der Parallelschaltung ausbildet. Für die schematische Darstellung in

^r'^r> F i g. 2 wird davon ausgegangen, daß die Impulsformer· Schaltung 4 Zweige umfaßt, wobei der erste Zweig vier Avalanchelransistoren und die zweiten, dritten und vierten Zweige jeweils nur einen Avalanchetransistor umfassen. Die erste Amplitudenspitze des Impulsdaches

wi wird durch die Ariahl der Avalanchetransistoren im ersten Zweiß bestimmt, wogegen die zweite, dritte und vierte Ämpiitudenspitze von dem jeweils einen Avalanchetransistor des zweiten, dritten und vicr'.en Zweiges ausgelöst wird.

^h"> In F i g. 3 ist eine Impulsform schematisch dargestellt, wie sie sich bei eine/ Impulsformerschaltung mit vier Zweigen bei jeweils gleicher Anzahl von Avalanchetransistoren in jedem Zweig ergibt. Mit dieser

Schallungsanordnung lassen sich extrem sieile Impulse schaffen, die einen verhältnismäßig hohen mittleren Spannung*- bzw. Stroniwerl aufweisen. Die Wclligkcit des Daches kann durch die Anzahl der Zweige einerseits, und durch eine geeignete Dimensionicrung der Teilwiderstände Rm\, Rbit. #mi ··■ Rhn\ eingestellt werden, wobei die Welligkeit umso kleiner wird, ic größer die Anzahl der Parallelzweige und je kleiner die Verhältniswerte der Teilwiderstände des Basis-Ableitwiderstandes des ersten Avalanchetransistor Tw sind. Durch ein Vergrößern der Verhältniswertc der Teilwiderständc werden die Kinsalzpunkte für den Durehbruch der einzelnen Zweige auseinandergeschoben. was sich in einer entsprechenden Verschiebung der Amplitudcnspitzen bemerkbar macht, Kine solche Verschiebung ist in f·'i g. 3 dargestellt. Diese zeigt gleichzeitig, daß damit auch die Welligkcit des Impulsdaches erhöhl wird. Unter Ausnutzung des Avalancheeffckts lassen sich mil der Impulsformerschaltung gemäß der hrfindung .Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten von mehr als 100 Volt/Nanosekundc erzielen, wobei bei einem geeigneten mechanischen Aufbau Stromapstiegsgeschwindigkeiten von mehr als 50 A/Nanosekunde für die Anwendung bei Glaslasern möglich sind. Bei geeigneter Dimcnsionicrung der Schaltung lassen sich hothcncrpc tische fünzclimpulsc mit einem Impulsabstand von wenigen NanoseHinden erzeugen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Erzeugung steil ansteigender Spannungs- bzw. Stromimpulse unter Verwendung von zumindest zwei in Serie zu einem Lastwiderstand parallelgeschalteten Zweigen aus Avalanchetransistoren, dadurch gekennzeichnet,

— daß im ersten Zweig der Parallelschaltung eine Vielzahl von Avalanchetransistoren (Tw bis T]_n) in Serie geschaltet ist,

— und daß der jeweils erste Avalanchetransistor (Tu bis T_n]) des zweiten Zweigs und der folgenden Zweige der Parallelschaltung mit einer Ansteuerspannung verzögert ansteuerbar sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Ansteuerspannungen der Avalanchetransistoren (T2] bis T_n]) der zweiten und folgenden Zweige der Parallelschaltung nacheinander von Serienabgriffen eines Basiswiderstandes (Ru\ bis Rb_n]) des vom Steuerimpuls beaufschiagien ersten Avalanchetransistors fTii) abgreifbar sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

— daß im zweiten und in den folgenden Zweigen der Parallelschaltung jeweils eine Vielzahl von Avalanchetransistoren in Serie geschaltet ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

— daß der zweite Zweig und die folgenden Zweige der Parallelschaltung eine abnehmende Anzahl von in Serie geschalteter Av.n'anchetransistoren umfassen.

5. Schaltung nach den Ansprachen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

— daß der zweite Parallelzweig und die folgenden ParaJIelzweige aus jeweils nur einem Avalanchetransistor bestehen.