DE2711535C3 - Schaltung zur selektiven Erhöhung der Betriebsspannung des Ablenkverstärkers eines magnetodynamischen Ablenksystems - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur selektiven Erhöhung der Betriebsspannung des Ablenkverstärkers eines magnetodynamischen Ablenksystems für einen Korpuskularstrahl bei hoher Ablenkgeschwindigkeit gegenüber der Betriebsspannung bei niedriger Ablenkgeschwindigkeit. Die Schaltung nach der Erfindung ist insbesondere bei einem als Sichtgerät für ein Korpuskularstrahlgerät dienenden Fernsehmonitor von Bedeutung.

In einem magnetodynamischen Ablenksystem wird der Korpuskularstrahl durch das Magnetfeld einer Spule ausgelenkt. Die Größe dieser Auslenkung ist dabei proportional dem Strom durch die Spule. Die Ablenkgeschwindigkeit hängt somit von der Stromänderungsgeschwindigkeit ab. Bei Geschwindigkeiten, bei denen der induktive Widerstand der Spule überwiegt, ist diese Stromänderungsgeschwindigkeit im ausgenutzten Strombereich proportional der Spannung, die an die Ablenkspule gelegt wird. Je schneller der Korpuskularstrahl abgelenkt werden soll, desto höher ist die erforderliche Spannung an der Ablenkspule. Eine hohe Spannung an der Ablenkspule erfordert jedoch auch eine hohe Betriebsspannung am Ablenkverstärker. Je höher diese Betriebsspannung gewählt wird, desto größer ist jedoch die Verlustleistung beispielsweise in den Kollektorwiderständen des Ablenkverstärkers. Würde man den Ablenkverstärker ständig mit der höchsten Betriebsspannung betreiben, die für die größte Ablenkgeschwindigkeit erforderlich ist, so ergäbe sich eine für den Anwendungsfall untragbar hohe Verlustleistung.

Bei Fernsehgeräten beispielsweise, bei denen nur zwei unterschiedliche Ablenkgeschwindigkeiten auftreten, die für den Hinlauf und die für den wesentlich schnelleren Rücklauf, wird die Verlustleistung dadurch reduziert, daß ein leistungsminderndes Resonanzsystem verwendet wird, das auf die Arbeitsfrequenz des Rücklaufes abgestimmt ist Dabei ist es auch bekannt, daß bei einer Ablenkstufe mit einem im Anodenkreis einer Ablenkröhre liegenden Ausgangstransformator und mit einer Schaltung zur Energierückgewinnung

ίο mittels Booster-Diode für zwei verschiedene Kippfrequenzen der Ausgangstransformator zwei Abgriffe aufweist, die mit der Kathode je einer Booster-Diode verbunden sind, deren Anode durch einen Schalter wahlweise an positive Betriebsspannung gelegt werden kann (DE-AS 11 32 961). Hierbei wird die Betriebsspannung bei Hin- und Rücklauf des Strahls im gleichen Verhältnis geändert; eine selektive Anpassung der Betriebsspannung an die Ablenkgeschwindigkeit ist nicht möglich. Bei Fernsehmonitoren jedoch, die als Sichtgeräte in Korpuskularstrahl-Rastermikroskopen eingesetzt werden, soll ein weiterer Arbeitsbereich mit Bildzeiten von 20 ms bis zu Hunderten oder Tausenden von Sekunden überstrichen werden und Betriebsarten wie Raster-Scan und Random Positioning (vector writing) möglich sein. Für dieses weite Frequenzsprektrum der Ablenkgeschwindigkeiten ist ein Resonanzsystem zur Leistungsminderung nicht mehr verwendbar.

Es ist bereits ein magnetodynamisches Ablenksystem bekannt bei dem die für die schnelle Ablenkung erforderliche hohe Betriebsspannung nur während definiert kurzer Zeiten an den Ablenkverstärker gelegt wird, sonst aber auf einem kleineren Normalwert bleibt (US-PS 38 87 829). Die Verlustleistung geht somit auf einen kleinen Restbetrag zurück. Die kurze Zeit hoher Betriebsspannung beschränkt sich beim Raster-Scan auf die Zeilenrücklaufzeit, beim Random positioning auf das Schreiben besonders schneller (langer) Vektoren. Bei diesem bekannten magnetodynamischen Ablenksystem sind zwei separate Versorgungsspannungsquellen vorgesehen, von denen die eine die normale Betriebsspannung für die langsame Ablenkung liefert, während die andere die hohe Betriebsspannung für die schneller. Ablenkungen liefert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art mit kleiner Verlustleistung bei gleichzeitiger Einsparung an apparativem Aufwand zu schaffen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der eine Pol einer Versorgungsspannungsquelle über eine oder mehrere in Reihe liegende Dioden, die alle in Durchlaßrichtung geschaltet sind, mit einem Betriebsspannungsanschluß des Ablenkverstärkers verbunden ist, daß eine der Anzahl der Dioden entsprechende Zahl von Kondensatoren vorgesehen ist, deren einer Anschluß mit der Kathode je einer Diode und deren anderer Anschluß über je einen Schalter entweder mit der Anode der jedem Kondensator zugeordneten Diode oder über Widerstände mit dem anderen Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, und daß ein allen Schaltern gemeinsames Steuerglied vorgesehen ist, das je nach der geforderten Betriebsspannung die Schalter betätigt. Der Vorteil dieser Schaltung besteht darin, daß die Normalspannung und diejenige, die zum Aufstocken auf den höheren Wert für die schnelle Ablenkung benutzt wird, aus dem gleichen Versorgungsgerät entnommen wird; eine zweite Versorgungsspannungsquelle wird dadurch eingespart. Betrachtet man zunächst den einfachsten Fall, daß nur eine Diode und

ein Kondensator vorgesehen ist, so ergibt sich folgende Funktionsweise der Schaltung:

Während langsamer Ablenkungen des Korpuskularstrahls, beispielsweise also des Hinlaufes des Schreibstrahls einer Kathodenstrahlröhre, ist der Kondensator über den Schalter und einen Widerstand parallel zur Versorgungsspannungsquelle geschaltet und lädt sich auf. Für schnelle Ablenkungen, beispielsweise also für den Rücklauf des Schreibstrahis der Kathodenstrahlröhre, wird der Schalter umgeschaltet, wodurch dieser Anschluß des Kondensators mit der Anode der Diode verbunden wird. Die Betriebsspannung steigt dadurch auf den doppelten Wert der Versorgungsspannung an. Der Kondensator muß dabei so bemessen werden, daß seine Ladung für die Zeit der schnellen Ablenkung ausreicht. Reicht eine Verdopplung der Betriebsspannung nicht aus, so muß diese Schaltung mehrfach wiederholt werden, d. h. es müssen mehrere Kondensatoren parallel zur Versorgungsspannungsquelle geschaltet werden, die sich während langsamer Ablenkvorgänge aufladen und die während kurzer Ablenkvorgänge zur Erhöhung der Betriebsspannung parallel zu den ihnen zugeordneten Dioden geschaltet werden.

Bis zu bestimmten Frequenzen können schnelle Relais als Schalter verwendet werden. Vorteilhafterwei se wird man die Schaltung so ausführen, daß der oder die Schalter Halbleiterschalter sind. Diese Halbleiterschalter können beispielsweise durch Impulse angesteuert werden. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile kommen jedoch besonders dann zum Ausdruck, wenn als Steuerglied ein Differenzierer vorgesehen ist, dessen Eingang mit dem Eingang des Ablenkverstärkers verbunden ist Auf diese Weise sorgt der Differenzierer gerade dann und auch nur dann für eine Aufstockung der Betriebsspannung, wenn es erforderlich ist. Das gilt für beliebige Kurvenformen des Ablenkstromes. Besonders bei symmetrischer Auslegung mit zwei erfindungsgemäßen Schaltungen zur Erhöhung der Betriebsspannung und zwei Differenzierern für positive und negative Betriebsspannung läßt sich die Schaltung dann für ein xy-Display bzw. Korpuskularstrahl-Rastermikroskop oder einen xy-Schreiber mit Random Positioning verwenden. Dies führt zu einem Vektorverfahren mit verringerter Verlustleistung. Die Schaltung ist für diese Anwendung besonders geeignet, da sich der Kondensator stets so dimensionieren läßt, daß er für alle denkbaren Betriebsfälle ausreicht und die Schaltung somit keine Einschränkung für das Schreiben beliebiger Vektoren zur Folge hat.

Ausführungsbeispiele von Schaltungen nach der Erfindung werden im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 eine Ablenkspule und den zugehörigen Ablenkverstärker sowie die Prinzipschaltung zur Verdopplung der Betriebsspannung dieses Ablenkverstärkers,

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf des Stromes durch die Ablenkspule, der Vei sorgungsspannung sowie der Betriebsspannung,

F i g. 3 die Schaltung zur Verdopplung der Betriebsspannung entsprechend F i g. 1 mit Transistoren als Schalter und deren Ansteuerung durch einen Differenzierer und

Fig.4 eine Prinzipschaltung zur Vervielfachung der Betriebsspannung.

In Fig. 1 handelt es sich um einen Ablenkverstärker Vl₁ der z. B. einen sägezahnförmigen Strom /durch die Ablenkspule Sp 1 unc den Meßwiderstand Ru treibt Angesteuert wird dieser Ablenkverstärker VI über den Eingang E mit der Spannung Lfc Der Sägezahn kann wegen der Anwendung in einem Fernsehmonitor für ein Korpuskularstrahl-Rastermikroskop eine Periodendauer von οθμ5 bis zu mehreren Sekunden haben. Die Rücklaufzeit ist minimal ca. 10 us. Um während dieser kurzen Rücklaufzeit den erforderlichen Strom / durch die Ablenkspule Sp 1 mit der Induktivität L treiben zu können, muß während der Rücklaufzeit eine größere Spannung vom Ablenkverstärker Vl geliefert werden als während der Hinlaufzeit Damit der Ablenkverstärker Vl die hohe Spannung liefern kann, muß für diese Zeit auch seine Betriebsspannung Ub entsprechend hoch gewählt werden. Würde man für einen derartigen Anwendungsfall die Betriebsspannung konstant halten und daher zwangsweise so hoch wählen, daß sie für die Rücklaufzeit ausreicht, so würden bei gängigen Ablenkströmen von 8 Ass (Spitze-Spitze) schon Verlustleistungen von mehreren 100 Watt auftreten. Mit der Schaltung zur Verdopplung der Betriebsspannung, wie sie die F i g. 1 zeigt, ist es möglich, diese Betriebsspannung nur für die kurze Zeit des Rücklaufes auf dem hohen Wert zu halten, für die wesentlich längere Zeit des Hinlaufes jedoch auf dem halben Wert. Damit ergibt sich nahezu eine Halbierung der Verlustleistung.

Der Punkt A ist mit dem Pluspol einer hier nicht dargestellten Versorgungsspannungsquelle verbunden. Der andere Pol dieser Versorgungsspannungsquelle sei auf Masse gelegt Am Punkt A steht somit die Versorgungsspannung Uv an. Während der Hinlaufzeit verbindet der Schalter S1, wie in F i g. 1 dargestellt, den Kondensator Cl mit dem Widerstand Ri. Der Kondensator Cl lädt sich während dieser Zeit auf. Während dieser Zeit entspricht die im Punkt B vorliegende Spannung Ub, die die Betriebsspannung darstellt, etwa der Versorgungsspannung Uv- Für den Rücklauf wird der Schalter Sl umgeschaltet. Damit steigt die Betriebsspannung Ub auf den doppelten Wert der Versorgungsspannung Uv an. Der Kondensator C1 muß dabei so bemessen sein, daß seine Ladung für die Rücklaufzeit ausreicht. Der parallel zur Versorgungsspannungsquelle liegende Kondensator C2 dient zur Spannungsglättung, insbesondere zur Unterdrückung der beim Schalten auftretenden Spannungsspiuen.

Im oberen Teil der F i g. 2 ist der sägezahnförmige zeitliche Verlauf des Stromes / durch die Ablenkspule Sp 1 dargestellt. Wie auch diesem Verlauf wieder zu entnehmen ist, ist die Rücklaufzeit wesentlich kürzer als die Hinlaufzeit. Im darunterliegenden Abschnitt ist die Spannung im Punkt A aufgetragen, die der Versorgungsspannung Uv entspricht und die zeitlich konstant ist. Im nächstfolgenden Abschnitt ist die Spannung im Punkt B aufgetragen, also die Betriebsspannung des Ablenkverstärkers Vl. Deren zeitlicher Verlauf sieht folgendermaßen aus: Während der Hinlaufzeit ist diese Spannung etwa gleich der Versorgungsspannung Uv, während der kürzeren Rücklaufzeit springt sie auf den doppelten Wert.

In der Fig.3 ist wiederum die Schaltung zur Spannungsverdopplung dargestellt, wobei gleiche Elemente wie in F i g. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen wurden. Am Punkt A liegt wiederum die Versorgungsspannung an, am Punkt B wird die Betriebsspannung abgegriffen. Der Ladekondensator Cl und der Widerstand Al sind die gleichen, als Glättungskondensator C2 ist diesmal ein Elektrolytkondensator verwendet worden. Der Schalter 51 aus

Fig. 1 ist durch die vier Transistoren Ti bis TA ausgeführt. Die Ansteuerung dieses aus den vier Transistoren bestehenden Schalters erfolgt über die Basis des Transistors TA, die mit dem Ausgang des Differenzierverstärkers V2 verbunden ist. Über den Kondensator Ci wird die gleiche Eingangsspannung Ue auf den invertierten Eingang des Differenzierverstärkers V 2 gegeben, wie sie auch auf den nichtinvertierten Eingang des Ablenkverstärkers Vi gegeben wird. A3 ist ein Rückkopplungswiderstand. Die Schaltung ist so dimensioniert, daß während des langsamen Hinlaufes der Transistor TA durchgesteuert ist. Das wird durch die negative Gleichspannung -U₀. beispielsweise die negative Versorgungsspannung, erreicht, die über den Widerstand R 7 am invertierten Eingang des Differenzierverstärkers V2 liegt Diese Spannung erscheint am Ausgang des Verstärkers V2 und, vermindert um den Spannungsabfall am Widerstand R 6, auch an der Basis des Transistors TA positiv, wodurch dieser einwandfrei durchsteuert. Dadurch liegt die Basis des Transistors Ti nahezu auf Massepotential, wodurch dieser Transistor ebenfalls durchgesteuert ist und der Kondensator Cl sich über den Widerstand R i aufladen kann. Während des schnellen Rücklaufes (positiver Spannungsanstieg von Ue) steht am Ausgang des Differenzierverstärkers V2 eine wesentlich negativere Spannung an, so daß der Transistor TA sperrt. Da dann über den Kollektorwiderstand R 2 dieses Transistors TA kein Strom fließt, liegt die Basis des Transistors Ti praktisch auf gleichem positiven Potential wie der Punkt A. Damit sperrt auch der Transistor Ti. Auf der anderen Seite steuern bei dieser Potentialsituation die Transistoren Γ3 und T2 durch, die gewissermaßen in einer Darlingtonschaltung hintereinandergeschaltet sind, um ein schnelles und

ίο sicheres Umschalten des Kondensators ClI zu gewährleisten.

Die Fig.4 zeigt eine Prinzipschaltung für eine Spannungserhöhung um den vierfachen Wert der Versorgungsspannung Uv- Wiederum sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es handelt sich dabei im Prinzip um die mehrfache Wiederholung der in F i g. 1 gezeigten Schaltung zwischen den Punkten Λ und B. Über die Schalter 51, 54 und 55 laden sich die entsprechenden Kondensatoren Ci, CA und C5 während des Hinlaufes auf. Durch gleichzeitiges Umschalten sämtlicher Schalter werden die Kondensatoren parallel zu den entsprechenden Dioden Di, DA bzw. D5 geschaltet. Es ergeben sich somit in Reihe liegende Spannungsaufstockungen jeweils um den Wert der Versorgungsspannung Uv.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 Patentansprüche:

1. Schaltung zur selektiven Erhöhung der Betriebsspannung des Ablenkverstärker eines magnetodynamischen Ablenksystems für einen Korpuskularstrahl bei hoher Ablenkgeschwindigkeit gegenüber der Betriebsspannung bei niedriger Ablenkgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Pol einer Versorgungsspannungsquelle über eine oder mehrere in Reihe liegende Dioden (Di, D 4, DS), die alle in Durchlaßrichtung geschaltet sind, mit einem Betriebsspannungsanschluß des Ablenkverstärkers (Vi) verbunden ist, daß eine der Anzahl der Dioden entsprechende Zahl von Kondensatoren (Ci, CA, CS) vorgesehen ist, deren einer Anschluß mit der Kathode je einer Diode und deren anderer Anschluß über je einen Schalter (Si, SA, SS) entweder mit der Anode der jedem Kondensator (Ci, CA, CS) zugeordneten Diode (Di, DA, DS) oder über Widerstände (R 1, RA, RS) mit dem anderen Pof der Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, und daß ein allen Schaltern gemeinsames Steuerglied vorgesehen ist, das je nach der geforderten Betriebsspannung die Schalter (S 1, SA, SS) betätigt

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Schalter Halbleiterschalter (T Ibis T4)sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerglied ein Differenzierer (V2) vorgesehen ist, dessen Eingang mit dem Eingang des Ablenkverstärkers (V 1) verbunden ist.