DE2406657A1

DE2406657A1 - Schaltungsanordnung zur hochspannungsschnellumschaltung

Info

Publication number: DE2406657A1
Application number: DE19742406657
Authority: DE
Inventors: Gerard Melchior
Original assignee: Alcatel CIT SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1973-02-20
Filing date: 1974-02-12
Publication date: 1974-08-29
Also published as: SE387212B; FR2218698B1; GB1449384A; FR2218698A1; US3943453A

Description

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8 München 22, Robert-Koch-Straße 1

COMPAGNIE INDUSTRIELLE DES TELECOMMUNICATIONS CIT-ALCATEL 12, rue de la Baume, 75008 PARIS (Frankreich)

SCHALTUNGSANORDNUNG ZUR HOCHSPANNUNGS-SCHNELLUMSCHALTUNG

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Hochspannungs-Schnellumschaltung, insbesondere zur Verwendung bei einer polychromen Kathodenstrahlröhre, bei der die verschiedenen Farben unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen des Elektronenstrahls entsprechen.

Bei polychromen Kathodenstrahlröhren mit veränderlicher Strahleindringtiefe ist der Bildschirm mit zwei übereinander liegenden Luminiszenzschichten versehen: die erste Schicht, auf die der Elektronenstrahl direkt auftrifft, strahlt rotes Licht aus, die zweite Schicht, die von der ersten durch eine eine Potentialschranke bildende Substanz getrennt ist, liefert beim

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Auftreffen des Elektronenstrahls grünes Licht. Es ist bekannt, die Anzeigefarbe dadurch zu steuern, dass auf die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls eingewirkt wird, der nacheinander auf die beiden Lutniniszenzschichten auf trifft. Wenn der Elektronenstrahl mit einer Spannung von beispielsweise 6 kV beschleunigt wird, bleiben die Elektronen in der ersten Schicht stecken und erregen lediglich das Rotlicht; die zweite Luminiszenzschicht, die durch die erste durch eine Potentialschranke getrennt ist, wird nicht erreicht, so dass sie nicht, oder praktisch nicht, durch diese Beschleunigungsspannung erregt wird. Wenn andererseits die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls auf beispielsweise 14 kV angehoben wird, so dringen die Elektronen tiefer ein, überschreiten die Potentialschranke und erregen die zweite Luminiszenzschicht, die dann Grünlicht aussendet; in diesem Fall wird die erste Schicht nur sehr schwach erregt; auf dem Bildschirm erscheint nur ein grüner Punkt an der Auftreffstelle des Elektronenstrahls.

Mit Hilfe einer Ablenkung des Elektronenstrahls und einer Umschaltung seiner Beschleunigungsspannung können auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre grüne und rote Linien erzeugt werden; bei dazwischen liegenden Beschleunigungsspannungen erhält man die entsprechenden Zwischenfarben.

Die Beschleunigungsspannung wird an den Bildschirm der Rohre angelegt, die Kathode der Kathodenstrahlröhre liegt an Masse. Nun weist jedoch der Bildschirm, der notwendigerweise zur Verhinderung der Bildung von Raumladung während der Be-

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schiössung mit Elektronen leitend sein muss, eine im Verhältnis zu den Masseabschirmungen der Röhre grosse Störkapazität von etwa 200 bis 400 pF auf. Folglich erfordert jede Umschaltung der Beschleunigungsspannung von einem ersten auf einen zweiten Wert das Aufladen oder Entladen dieser Kapazität, d.h. eine Zuführung von Strom, der die jeweils alternative Komponente des ' Auf- bzw. Entladens dieser Kapazität liefern soll.

Ferner ist bekannt, dass die Anordnungen zur Umschaltung der Beschleunigungsspannung möglichst kurze Umschaltzeiten aufweisen müssen, um nicht die Darstellungsleistung des Systems übermässig zu verringern.

Zur Erreichung dieser Ziele ist ein Umschaltkreis bekannt, der in der deutschen Patentschrift Nr. 2 O56 797 beschrieben wird, bei dem einem umschaltbaren Spannungsgenerator, der auf dem Bildschirm die gewünschten Beschleunigungsspannungswerte erzeugen kann, ein Schaltkreis zugeordnet ist, der eine Blindleistungsspitze liefert, die zur schnellen Ladung bzw. Entladung dieser Bildschirmkapazität notwendig ist. Zur Umschaltung von einem Beschleunigungsspannungswert auf einen anderen wird diese Blindleistungsspitze über zwei Transformatoren erhalten, die durch einen Impulsgenerator gespeist werden und deren Sekundärwicklungen jeweils in Reihe mit einem Gleichrichter und einer UmschaItquelle zwischen dem Bildschirm und der Masse angeordnet sind, um so einen Ladungszweig und einen Entladungszweig .r Bildschirmkapazität zu bilden. Der Impulsgenerator wird seinerseits durch den umschaltbaren Spannungsgenera-

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tor gesteuert, um bei einer Umschaltung vom niedrigsten auf das höchste dieser Bildschirmpotentiale einen Impuls auf den Ladezweig der Bildschirmkapazität und bei einer Umschaltung vom höchsten zum niedrigsten dieser Potentiale einen Impuls auf den Entladezweig der Bildschirmkapazitat zu senden.

Dieser Umschaltkreis weist jedoch einen Nachteil auf, der daher rührt, dass die abwechselnde Spitzenenergie, die bei jedem UmschaltVorgang geliefert wird, nicht zurückgewonnen wird und sich in den Umschaltquellen verliert, die zum Blockieren der jeweils eingeschalteten Gleichrichter notwendig sind, wenn der Lade- bzw. Entladezweig in Ruhestellung ist, d.h. nachdem die Spitzenleistung übertragen wurde. Dieser Energieverlust in den Umschaltquellen bewirkt deren Erwärmung und führt zu einer Beschrankung der Umschaltfrequenz.

Die Erfindung will einen Schnellumschaltkreis schaffen, der u.a. den vorgenannten Nachteil vermeidet.

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur HochspannungsschneHumschaltung zwischen η verschiedenen Spannungsstufen an den Klemmen einer Last, die im Verhältnis zur elektrischen Masse eine Kapazität darstellt, wobei die Schaltung einen umschaltbaren Spannungsgenerator umfasst, der die η anfangs eingestellten elektrischen Potentiale liefert, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Schaltung darüber hinaus mindestens n-1 umschaltbare Schwingkreise gehören, die einerseits alle gemeinsam die auf ein bestimmtes Anfangspotential gebrachte Lastkapazität und andererseits jeweils eine mit den Klemmen der Last verbundene Reihen-

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schaltung aus einer Induktivität, einem gesteuerten Umschalter und einer Umschaltungsinitialisierungsquelle aus einem geladenen Kondensator, dessen Anfangsspannung vorgeregelt ist, um das Potential an den Klemmen der Last vom bestimmten Anfangspotential beim Schliessen des Umschalters während einer Halbperiode des entsprechenden Schwingkreises auf eine der Entspannungsstufen zu bringen, umfassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung an Hand der beiliegenden Zeichnung deutlich, auf der ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schaltung dargestellt ist,

Die in dieser Figur dargestellte Schaltung soll die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls einer polychromen Anzeigekathodenstrahlröhre 1 liefern. Das positive Beschleunigungspotentiäl des Elektronenstrahls wird an den Bildschirm 11 dieser Röhre 1 gelegt; die Kathode der Elektronenstrahlröhre wurde nicht dargestellt; sie erhält das Potential der elektrischen Masse. Der Bildschirm 11 weist gegenüber der elektrischen Masse eine störende Eigenkapazität C auf, die durch einen an Masse liegenden Kondensator. 12 symbolisch dargestellt wirdt

Die an den Bildschirm 11 dgr Röhre 1 gelegte Beschleunigungsspannung wird von e^nem umschaltbaren Hochspannungsgenerator 2 bekannter Bauart geliefert, der mit dem Bildschirm 11 verbunden ist und diesem Bildschirm η gewünschte Beschleunigungsspannungswerte verleihen kann, beispielsweise 6, 9, 12 und 14 kV für das Anzeigen von Linien in rot, orange, gelb bzw. grün,

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Ein Ausführungsbeispiel dieses bekannten umschaltbaren Spannungsgenerators ist in dieser Figur gezeigt. Er enthält einerseits einen Speisegenerator 2I₁ der eine Gleichspannung, beispielsweise 21 kV, liefert und andererseits einen zugeordneten geregelten Regler. Dieser Regler bo3täit,wie es schematisch dargestellt ist, aus einem Ladewiderstand 22, der den Speisegenerator 21 mit dem Bildschirm 11 der Röhre 1 verbindet und dessen durch ihn hindurchfliessender Strom über eine mit einem Transistor 24 verbundene Vakuumtriode 23 gesteuert wird. Die Anode der Triode 23 ist mit dem Bildschirm 11 der Rohre 1 und dem Ladewiderstand 22 verbunden, die Kathode ist mit dem Kollektor des Transistors 24 verbunden und das Gitter der Triode ist auf ein positives Potential gebracht, beispielsweise +24 V. Der Emitter des Transistors 24 ist über einen Polarisierungswiderstand 30 mit einem festen Potential, beispielsweise -24 V verbunden. Die Basis des Transistors 24 wird auf ein Steuerpotential gebracht, das von einem sättigungsfähigen Differentialverstärker 25 geliefert wird, der an seiner positiven Eingangsklemmo ein Referenzpotential empfängt, das durch Steuerung eines elektronischen Umschalters 26 auf vier verschiedene Werte geschaltet werden kann; auf seiner negativen Eingangsklemme empfängt der Verstärker 25 das von einer Widerstandsbrücke 27, die zwischen die Masse und den Bildschirm 11 der Röhre 1 geschaltet ist, stammende Potential» Die das umschaltbare Referenzpotential liefernde Schaltung ist schematisch durch eine Quelle 28 dargestellt, an deren Klemmen ein Widerstandsteiler 29 angeschlossen

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ist, mit dem der Umschalter 26 zusammenwirkt. In der Figur wird dieser Umschalter 26 als mechanischer Umschalter dargestellt; er wirkt mit den vier Anschlüssen des Widerstandteilers 29 zusammen. Eine solche Schaltung ermöglicht durch die Steuerung des Transistors 24 die Steuerung des den Ladewiderstand 22 durchfliessenden Stroms und somit des Potentialabfalls über diesen Widerstand, d.h. schliesslich des auf den Bildschirm 11 gegebenen Potentials.

Diesem umschaltbaren Spannungsgenerator 2 ist ein Initialisierungsschaltkreis zugeordnet, der das Auf- bzw. Entladen des Bildschirms 11 beschleunigen und die Spannung in einem sehr kurzen Zeitraum auf das gewünschte Potential bringen soll; der Generator 2 weist eine Zeitkonstante auf, die durch die Vierte d.es Widerstands 22 und der zu grossen Störkapazität 12 konditioniert ist.

Dieser Initialisierungsschaltkreis wird aus mindestens drei zur Kapazität 12 parallel geschalteten Zweigen gebildet, die umschaltbar sind, um jeweils mit der Kapazität 12 einen Schwingkreis herzustellen. Diese drei Zweige sind analog aufgebaut; sie enthalten jeweils in Reihe eine Induktivität 31, 41 bzw. 51, einen gesteuerten Umschalter 32, 42 bzw. 52, der als mechanischer Unterbrecher dargestellt ist, sowie eine Initialisierungsquelle, die aus einem geladenen Kondensator 33, 43 bzw. 53 besteht. Jede dieser Reihenschaltungen liegt zwischen dem Bildschirm 11 und der Masse. Hier nicht dargestellte geregelte Quellen beispielsweise werden den Kondensatoren 33, 43 bzw.

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zugeordnet, um sie vor dem Einschalten des Schaltkreises in geeigneter Hohe aufzuladen. Ein hier nicht im einzelnen dargestellter logischer Schaltkreis 6 besorgt die Steuerung (Schliessen) des Umschalters 26 auf eine der gezeigten Stellungen sowie die entsprechende Steuerung der Umschalter 32, 42 bzw. 52, wie sie weiter unten erklart wird.

In dieser Ausführung bilden beim Schliessen eines dieser Umschalter (beispielsweise des Umschalters 42), die Bauteile 43. 41 und 12 einen Schwingkreis mit der Periode

,r^oCCT
T₀ - 21Ty ^: ι wobei L₀ und C₀ die Werte der Induktanz 41 bzw.

der Kapazität 43, C der Wert der Kapazität 12 sind.

In diesem Schwingkreis kommt es zwischen den beiden Kondensatoren 43 und 12 am Ende der ersten Halbschwingperiode, bei der der Strom im Umschalter 42 Null ist, zum Ladungsaustausch; der umgekehrte Ladungsaustausch, durch den jeder der Kondensatoren 43 und 12 auf seinen Ajifangszustand zurückgebracht wird, findet am Ende der zweiten Halbperiode statt. Die Spannung an den Klemmen der Kapazität 12 kann so von einem Anfangswert U_Q auf einen Wert U₂ am Ende des ersten Wechsels und vom Wert U₂ auf den Anfangswert U am Ende des zweiten Wechsels durch einfachen Ladungsaustausch zwischen der Kapazität 12 und der ihr im gebildeten Schwingkreis zugeordneten Initialisierungsquelle 43 umgeschaltet werden.

Mit dieser Schaltung mit drei umschaltbaren Schwingkreisen ist es möglich, eine rasche Umschaltung der Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls zwischen vier verschiedenen

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Spannungsstufen zu erreichen, wobei eine dieser Stufen durch die auf den Bildschirm 11 der Rohre 1 gegebene Anfangsspannung, d.h. die Kapazität 12 des Bildschirms, bestimmt ist.

Die Umschaltung der Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls kann somit zwischen vier Spannungsstufen vorgenommen werden, und zwar zwischen der Stufe U_Q, auf der sich der Bildschirm befindet und die den Anfangsladezustand der Kapazität 12 bestimmt, und einer der Stufen U₁, U₂ bzw. U^, die, sich beim Schliessen eines der Umschalter 32, 42 bzw. 52 während einer Halbperiode des Schwingkreises zwischen der Kapazität 12 und dem entsprechenden Initialisierungskondensator 33, 43 bzw. 53 ergeben. Der Anfangsladezustand jedes der Kondensatoren 33, 43 bzw. 53 wird unter Berücksichtigung des Anfangszustandes U_Q der Kapazität 12 und der Werte der Kapazität 12 und der Kapazität jedes der Kondensatoren 33, 43 und 53 gewählt.

Beim Betrieb erfolgt die Umschaltung der Beschleunigungsspannung von einem ersten Wert, beispielsweise U₁, auf einen zweiten Wert, beispielsweise U₂, über den Wert U_Q des Anfangszustandes der Kapazität 12. Bei diesem Beispiel wird die Umschaltung von U- auf U durch Schliessen des Umschalters 32 während einer Halbperiode des Schwingkreises 12, 31 bis 33, wodurch der Zustand der Kapazität 12 vom Wert U₁ auf den Anfangswert U_Q zurückgenommen wird, danach durch Schliessen des Umschalters 42 während einer Halbperiode des aus 12, 41 bis 43 gebildeten Schwingkreises erreicht, wodurch der Zustand der Kapazität 12 vom Anfangswert U auf den Wert U₀ gebracht wird.

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Diese Unischaltbefehle bei einem Farbwechsel der auf dem Bildschirm gezeigten Linien werden durch den Logikschaltkreis 6 verzögert, der einerseits den Umschalter 26 in die gewünschte Stellung bringt und andererseits vorübergehend zwei der Umschalter 32, 42 bzw. 52 nacheinander schliesst, um die Kapazitat 12 über den Anfangszustand U , der als Referenzzustand gewählt wurde, schnell auf den neuen gewünschten Ladezustand bringen zu können. In diesem Fall enthalt der Logikschaltkreis 6 einen Speicher, in dem die Information über die vorhergehende Farbe der angezeigten Linien gespeichert wird; diese Information dient also dazu, die Kapazität 12 während einer Halbschwingungsperiode des entsprechenden Schwingkreises durch Schliessen des letzten Umschalters 32, 42 bzw. 52 auf den als Referenzzustand gewählten Anfangszustand U zu bringen.

Obwohl der Logikschaltkreis 6 nicht dargestellt wurde, ist leicht einzusehen, dass, wenn der Ladezustand der Kapazität 12 vor oder nach einer Farbänderung U beträgt, nur einer der Umschalter 32, 42 bzw, 52 betätigt wird. In allen anderen Fällen werden zwei Umschalter nacheinander betätigt.

Um zwischen den Kondensatoren 12, 33, 43 und 53 einen relativ schwachen Ladungsaustausch zu erreichen, kann der Ladungsaustausch zwischen der Kapazität 12 und den Kondensatoren 33, 43 bzw. 53 als Funktionsvariante lediglich durch direkten übergang auf den darüber- bzw. darunter liegenden Wert gesteuert werden. V/enn so der Anfangsladezustand der Kapazität 12 U_Q beträgt (U₁^T U₀ ¹¹C U₂ ¹C U^), so kann man vom Ladezustand U_Q der

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Kapazität auf den Zustand U- durch vorübergehendes Schliessen des Umschalters 32, von U auf Up durch vorübergehendes Schliessen des Umschalters 42 und von U auf U^ durch vorübergehendes Schliessen des Umschalters 42 und anschliessend des Umschalters 52 übergehen. Auf gleiche Weise werden, wenn die Kapazität 12 den Ladezustand U^ aufweist, zum Übergang von U^ auf U^ nacheinander der Umschalter 32 (Kapazität 12 auf U₀), der Umschalter 42 (Kapazität 12 auf U₂) .und der Umschalter 52 (Kapazität 12 auf U^) betätigt. Der Logikschaltkreis 6 schliesst vorübergehend die Umschalter 32, 42, 52 nacheinander und in einer durch die Referenzanordnung der Ladezustände der Kondensatoren 33, 43, 53 bestimmten Reihenfolge, um eine sprunghafte Veränderung des Ladezustands der Kapazität 12 von ihrem jeweiligen Viert auf einen anderen Wert zu erreichen.

Im erfindungsgemässen Umschaltungsschaltkreis vermeidet man so jegliche Energieverluste. Denn die für das Auf- und Entladen der Kapazität 12 von der einen oder anderen der Initialisierungsquellen gelieferte Wechselenergie wird durch die Kapazität 12 (während ihres Aufladens) bzw. durch die Initialisierungsquelle (während des Entladens der Kapazität 12) zurückgewonnen, während die umgekehrte Übermittlung der Ladungen, die die Kapazität 12 auf ihren Anfangswert U zurückbringen, sich dahingehend auswirkt, dass ebenfalls die betreffende Initialisierungsquelle auf ihren Anfangszustand zurückgebracht wird.

Natürlich ist die völlige Vermeidung von EnergieVerlusten rein theoretisch; in der Praxis treten leichte Verluste in

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den Kapazitäten und der Induktivität auf. Diese Verluste, die im Verhältnis zur für das rasche Auf- oder Entladen der Kapazität 12 gelieferten Wechselenergie gering sind, wirken sich praktisch nicht auf die Ums cha Itfrequenz aus. Als direkte V/irkung ergeben sich aus den leichten Verlusten geringfügige Änderungen im Anfangsladezustand der Schaltkreiselemente. Diese Verluste werden durch die Quelle 2 oder die in der Zeichnung nicht dargestellten regulierten Ladeinitialisierungsquellen der Kondensatoren 33, 43 und 53 ausgeglichen.

In der Praxis werden für die in der Zeichnung in mechanischer Bauweise dargestellten Umschalter 32, 42 und 52 elektronische Umschalter gewählt. Die einzigen Anforderungen, die bei dieser Verwendung an diese Umschalter gestellt werden, sind: unbelastet eine hohe Spannung von etwa 4 kV auszuhalten, schnell ein- und ausschaltbar zu sein, um auf den leitenden bzw. gesperrten Zustand überzugehen, wobei ihr Ausschalten automatisch am Ende einer Halbschwingungsperiode der entsprechenden Schwingkreise erfolgen kann, an deren Ende der Strom zu Null wird. Da die Schaltung solcher Umschalter, die nach dem Prinzip "alles oder nichts" ohne wesentliche Energieverluste arbeiten, keine Überspannung bei blockiertem Zustand ertragen müssen (Strom Null) und keine Stromunterbrechung herbeiführen müssen, an sich bekannt sind, werden sie in der Figur nicht im einzelnen dargestellt.

Die beschriebene Vorrichtung zur Hochspannungsumschäl·· tung liefert die jeweils alternative Komponente des Stroms im Bildschirm 11 der Kathodenrßhre und ermöglicht dessen rasche

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Ladung bzw. Entladung. Natürlich wird die aktive Komponente
des Stroms im Bildschirm 11 von der regulierten Gleichstromquelle 2 geliefert. Die v/esentlichen Vorteile, die sich aus der Verwendung dieses UmschaItkreises ergeben, bestehen in der Einfachheit, der schnellen Funktion und der hohen Frequenz der
möglichen Umschaltungen.

Beispielsweise können die Schwingkreiselemente wie
folgt dimensioniert sein: wenn die störende Bildschirmkapazität C = 300 pF aufweist, können die Kondensatoren 33, 43 und 53 jeweils eine Kapazität von 600 pF haben und die Spulen 31, 41 und 51 eine Induktivität von 0,01 H. Wenn die Hochspannungsutnschaltung zwischen 6, 9, 12 und 14 kV erfolgen soll, wird die Kapazität 12 im Anfangszustand auf 9 kV und die Kondensatoren 33, 43
und 53 auf 6,75, 11,25 und 12,75 kV gebracht. Bei dieser Schaltung liegt die Schwingperiode in der Grössenordnung von 9/us.

Im Rahmen der Erfindung können die Spulen 31, 41 und durch eine einzige Spule ersetzt werden, die in den drei Schwingkreisen liegt.

- Patentansprüche -

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Schaltung zur Ho chspannungs sehne Hums cha It ung zwischen η verschiedenen Spannungsstufen an den Klemmen einer Last, die im Verhältnis zur elektrischen Masse eine Kapazität darstellt, wobei die Schaltung einen umschaltbaren Spannungsgenerator umfasst, der die η anfangs eingestellten elektrischen Potentiale liefert, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Schaltung darüber hinaus mindestens n-1 umschaltbare Schwingkreise gehören, die einerseits alle gemeinsam die auf ein bestimmtes Anfangspotential gebrachte Lastkapazität (11, 12) und andererseits jeweils eine mit den Klemmen der Last verbundene Reihenschaltung aus einer Induktivität (31, 41, 51), einem gesteuerten Umschalter (32, 42, 52) und einer Umschaltungsinitialisierungsquelle aus einem geladenen Kondensator (33, 43, 53), dessen Anfangsspannung vorgeregelt ist, um das Potential an den Klemmen der Last vom bestimmten Anfangspotential beim Schliessen des Umschalters während einer Halbperiode des entsprechenden Schwingkreises auf eine der Entspannungsstufen zu bringen^umfassen.

2. Schaltung gemass Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Last mit einem Anfangspotential versehen wird, das gleich einer der η Spannungsstufen ist.

3. Schaltung gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität jedes der n-1 umschaltbaren Schwingkreise diesen n-1 Schwingkreisen gemeinsam ist.

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