DE2744102B2

DE2744102B2 - Umschaltbarer Gleichspannungsgenerator

Info

Publication number: DE2744102B2
Application number: DE2744102A
Authority: DE
Inventors: Jacques Velizy-Villacoublay Nigra; Guy Arpajon Vanthuyne
Original assignee: Compagnie Industrielle de Telecommunication CIT Alcatel SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1976-10-01
Filing date: 1977-09-30
Publication date: 1980-06-12
Also published as: DE2744102A1; NL7710551A; GB1549106A; IE45703B1; BE858597A; DK433377A; US4160996A; IT1087752B; CA1074862A; IE45703L; DE2744102C3; FR2366741B1; FR2366741A1; LU78158A1

Description

Die Erfindung betrifft Gleichspannungsgeneratoren der im Oberbegriff des Anspruchs I genannten Art, mit denen zwischen mehreren einem kapazitiven Verbraucher zuzuführenden sehr hohen Spannungswerten umgeschaltet werden kann. Bei dem kapazitiven Verbraucher kann es sich z. B. um die Anode einer mehrfarbig anzeigenden Kathodenstrahlröhre handeln.

Wie z. B. aus der GBPS 11 93 230 hervorgeht, erfolgt bei mehrfarbig anzeigenden Kathodenstrahlröhren, bei denen die Farbunterschiede auf unterschiedliche Eindringtiefen der Elektronen zurückgehen, die Steuerung der Anzeigefarbe durch Einwirken auf die Anodenspannung. Der Bildschirm der Kathodenstrahlröhre kann aus zwei Lumineszenzschichten bestehen, die durch eine eine Potentialsperre bildende Substanz getrennt werden. Die erste Lumineszenzschichl, auf die der Elektronenstrahl direkt auftrifft, kann beispielsweise bei einer Anodenspannung von 10 kV Rotlicht abgeben.

während die zweite Lumineszenzschicht bei einer Anodenspannung von 18 kV Grünlicht abgibt. Die zweite von der ersten durch die Potentialsperre getrennte Lumineszenzschieht wird praktisch durch die '> Anodenspannung von 1OkV nicht erregt, während dagegen bei einer Anodenspannung von 18 kV die Durchdringungstiefe der Elektronen so zunimmt, daß sie diese Potentialsperre überschreiten und die zweite Schicht stark anregen, während die erste Schicht nur

ι» eine geringe Anregung erfährt.

Durch Ablenken des Elektronenstrahls und Umschalten der Beschleunigungsspannung für die Elektronen (Anodenspannung) zwischen diesen beiden Werten können auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre

It rote oder grüne oder auch Zwischenwerten der Anodenspannung entsprechende Zwischentöne sichtbar gemacht werden.

Ein derartiger Hochspannungsgenerator muß eine hohe Umschaltgeschwindigkeit gewährleisten, um die

2Γ, Anzeigekapazität möglichst wenig zu mindern; außerdem muß die gewünschte Hochspannung auf dem gewünschten Wert stabil bleiben.

Der Bildschirm, dem diese Beschleunigungsspannung zugeführt wird, wobei die Kathode an Masse liegt, bildet

r> einen kapazitiven Verbraucher, dessen Störkapazität bezogen auf die an Masse liegende Kapselung der Röhre zwischen 200 bis 400 pF beträgt Beim Anzeigen einer gegebenen Farbe besitzt der durch den Bildschirm fließende Gleichstrom einen Wert von einigen zehn bis einigen hundert Mikroampere je nach Farbe. Das Umschalten der Beschleunigungsspannung von einem Wert auf einen anderen erfordert das Aufladen oder Entladen der Bildschirmkapazität, wobei dann die Ladebzw. Entladeströme ungefähr hundert Milliampere je nach Abstand zwischen den beiden Werten bei einer Umschaltung in einigen zehn Mikrosekunden erreichen können.

Der für die Ansteuerung der Mehrfarbenröhre gemäß der genannten GB-PS nötige Generator besitzt einen

-*<> induktiven Energiespeicher, der iw regelmäßigen Abständen, d.h. jeweils während des Zeilensprungs umgeladen wird. Daraus ergibt sich eine gegenüber der einzigen Quellenspannung erhöhte oder erniedrigte Spannung am Verbraucher, wobei die Variationen

■*"' höchstens einige Prozent der Quellenspannung betragen. Benötigt die Mehrfarbenröhre dagegen größere Spannungssprünge, dann muß auf andere Techniken ausgewichen werden.
Es sind außerdem zwischen mehreren Spannungsstu-

''" fen umschaltbare Hochspannungsgeneratoren bekannt, die eine Hochspannungsquelle besitzen, durch die der kapazitive Verbraucher über einen Ausgangswiderstand gespeist wird und die einem parallel zum Verbraucher geschalteten Spannungsregler zugeordnet

¹^ ist. Dieser Spannungsregler wird durch ein Signal gesteuert, das den Abstand zwischen dem Spannungswert an den Klemmen des Verbrauchers und dem gewünschten Wert repräsentiert, um den Wert des durch den Ausgangswiderstand der Spannungsquelle fließenden Stroms und somit den Potentialabfall an deren Klemmen zu bestimmen, d. h. das an den Bildschirm angelegte Potential. Dieser geregelten Hochspannungsquelle ist weiterhin ein Hilfskreis zugeordnet, der einen kurzen positiven oder negativen

¹^ Impuls abgeben kann, dessen Energie ausreicht, die Kapazität des Verbrauchers auf den gewünschten Wert aufzuladen bzw. zu entladen. Das Aufladen bzw. Entladen dieser Kapazitäten erfolgt durch den Hilfs-

kreis, so daß dem Verbraucher die geregelte Spannung zugeführt wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Generator sollen die Hochspannungsumschaltfunktion und die Spannungsregelung vereinfacht werden und große Spannungssprünge von z. B. 10 auf 18 kV erreichbar sein. Diese Aufgabe wird durch den im Ansprach 1 gekennzeichneten Generator gelöst

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figur näher erläutert

In dieser Figur wird der kapazitive Verbraucher 1 durch einen Widerstand 10 und einen Kondensator 11 dargestellt, die parallel geschaltet und an Masse angeschlossen sind. Dieser kapazitive Empfänger stellt beispielsweise die Anode einer mehrfarbig anzeigenden Kathodenstrahlröhre dar, die mit einer zwischen mehreren vorbestimmten Werten zur Anzeige in bestimmten Farben umschaltbaren Beschleunigungsspannung arbeitet Im hier dargestellten Beispiel wird angenommen, daß die Beschleunigungsspannung zwei vorbesiimmte Werte, 10 kV und 18 kV, annehmen kann, & h. daß die Anzeige in zwei unterschiedlichen Farben (grün und rot) erfolgt

Die Beschleunigungsspannung bzw. hohe Gleichspannung wird von zwei Gleichspannungsquellen 2 und 3 geliefert, die in Reihe geschaltet sind, wobei eine der Klemmen der Quelle 3 an Masse liegt

Jede der Gleichspannungsquellen 2 oder 3 wird ausgehend von einer Wechselspannungsquelle 20 oder 30 gebildet, als die das Netz oder eine Niederspannungsquelle dienen kann, die die Primärwicklung eines Transformators 21 oder 31 speist, dessen Sekundärwicklung an einen Kondensator 22 bzw. 32 über eine Diode 23 bzw. 33 angeschlossen ist Die an den Klemmen des Kondensators 32 erhaltene Gleichspannung beträgt 9 kV und die an den Klemmen des Kondensators 22 auftretende Spannung 10 kV, wodurch zwei Hochspannungsstufen Vl = 9 kV am Punkt A in der Verbindung zwischen den Kondensatoren 22 und 32 und V2 = 19 kV am Punkt B an der zweiten Klemme des Kondensators 32 bestimmt werden, innerhalb derer die beiden vorbestimmten Werte 10 kV und 18 kV liegen, die an den Verbraucher 1 angelegt werden sollen.

Der Ausgang der in Reihe geschalteten Spannungsquellen 2 und 3, d.h. der Punkt B. ist mit dem Verbraucher 1, Punkt C, über ein Schalt- und Stellglied 4 verbunden. Dieses Glied 4 besieht aus einem Strombegrenzungswiderstand 40 und einer Reihenschaltung von ausgesucht gleichen NPN-Transistoren 41, 42. Der Widerstand 40 liegt zwischen dem Punkt B und dem Kollektor des ersten Transistors 41, während der Emitter des letzten Transistors; 42 der Reihenschaltung an den Verbraucher 1 angeschlossen ist Ein Widerstand 43 und ein mit einem Kondensator 45 in Reihe geschalteter weiterer Widersland 44 sind zu jedem Transistor parallel geschaltet Die Steuerung der Transistoren erfolgt ausgehend von einem Trenntransformator 46, dessen Primärwicklung 47 einseitig an Masse liegt und der so viele gleiche Sekundärwicklungen 48 aufweist, wie Transistoren 41,42 vorhanden sind, wobei jede Senkundärwicklung zwischen die Basis und den Emitter eines der Transistoren des Gliedes 4 geschaltet ist.

Der Ausgang der Spannungsquelle 3, d. h. der Punkt A, ist an den Verbraucher 1 am Punkt Ciiber ein Schalt- und Stellglied 5, das hier allein als Umschalter wirkt, angeschlossen. Dieses Glied 5 besteht aus einer Reihenschaltung von ausgesucht gleichen NPN-Transistoren 50,51, wobei der Kollektor des ersten Transistors 50 an den Verbraucher 1 und den Emitter des letzien Transistors 51 über einen Strombegrenzungswiderstand 52 im Punkt A mit der Quelle 3 verbunden ist. Ein Widerstand 53 einerseits und ein Widerstand 54 sowie ein dazu in Reihe geschalteter Kondensator 55 andererseits sind zwischen dem Emitter und dem Kollektor jedes Transistors 50 und 51 des Glieds 5

in parallel geschaltet Die Steuerung dieser Transistoren 50 und 51 erfolgt durch einen Trenntransformator 56, dessen Primärwicklung 57 an Masse liegt und der so viele gleiche Sekundärwicklungen 58 aufweist, wie Transistoren 50, 51 im Glied 5 vorhanden sind, wobei

ii jede der Sekundärwicklungen zwischen die Basis und den Emitter jedes dieser Transistoren 50 und 51 geschaltet ist

Die Schalt- und Stellglieder 4 und 5 sind einem Steuerkreis 6 mit zwei Kanälen zugeordnet, von denen

_>ii der eine das Glied 4 und der andere das Glied 5 steuert Der Steuerkreis weist ein Potentiorr rter 60 auf, das mit dem Verbraucher 1 parallel geschaltet is'.und mit dessen Zwischengriff im Punkt D eine dem Wert der an den Verbraucher 1 angelegten Gleichspannung proportio-

_>i nale Spannung abgenommen werden kann. Der Steuerkanal des Glieds 4 weist einen Differentialverstärker 61 auf, von dem ein Eingang an den Punkt D am Potentiometer 60 angeschlossen ist, während der andere Eingang eine auf eine Steuerklemme 62 gegebene

in Bezugsspannung empfängt Der Ausgang dieses Verstärkers liefert ein Modulationssignal, das einem Amplitudenmodulator 63 zugeführt wird, der das zu modulierende Signal eines Oszillators 64 erhält, wobei dieser Oszillator mit hoher Frequenz arbeitet, beispiels-

)*> weise 200 kHz. Das von dem Modulator 63 gelieferte modulierte Signal wird in einem Verstärker 65 verstärkt und der Primärwicklung 47 des Transformators 46 zugeführt

Der zweite Kanal des Steuerkreises 6 weist einen

4i) zweiten Differentialverstärker 66 auf, dessen einer Eingang an den Punkt D am Potentiometer 60 angeschlossen ist und dessen anderer Eingang eine auf eine Steuerklemme 67 gegebene Bezugsspannung empfängt Der Ausgang des Differentialverstärkers 66

4ί führt über einen Verstärker 68 zur Primärwicklung 57 des Steuertransformators 56 für die Transistoren des Schaltglieds 5.

Zur Umschaltung der an den Verbraucher 1 angelegten Gleichspannung vom niedrigeren zum

Iiι höheren Wert, d.h. in unserem Beispiel von 10 kV auf 18 kV, und zur Stabilisierung der Hochspannung auf dem oberen Wert, d. h. auf 18 kV, legt man an die Stcuerklemme 62 des Differentialverstärkers 61 eine BezuR.sspannung Ui an, die so gewählt wird, daß sie

^Γ>ί dem Wert der Spannung Vam Abgriff des Potentiometers 60 gleicht, wenn die Verbraucherspannung gleich der oberen gewünschten Spannung 18 kV ist. Das Fehlersignal am Ausgang des Verstärkers ist zunächst hoch und moduliert die Amplitude des vom Oszillator

μ für die Speisung Jes Transformators 46 kommenden Signals. Die mittlere Spannung zwischen zwei positiven Spitzen des Signals an den Klemmen jeder /wischen Basis und Emitter jedes der Transistoren 41 und 42 geschalteten sekundären Wicklung 48 steuert diese

h^r> Transistoren auf, die dadurch in den gesättigten Zustand gelangen. Das rasche Aufladen der Kapazität 11 des Verbrauchers 1 erfolgt dann in einer Zeit, die durch die durch den Widerstand 40 und die Kapazität 11 gelieferte

Zeitkonstante KC'bestimmt ist, wobei die Kapazität des Kondensators 22 wesentlich höher, etwa mindestens zwanzigmal höher, als die des Kondensators 11 gewählt wird. Die Spannung an der Stelle C liegt dann in der Nähe des gewünschten oberen Wertes 18 kV. Der durch die Transistoren fließende Ladestrom wird durch den Widerstand 40 begrenzt.

Die dem Ausgang des Verstärkers 61 gelieferte Fehlerspannung wird zunehmend geringer. Während der Dauer, während der die Spannung an der Stelle C auf diesem hohen Wert gehalten wird, moduliert die Fehlerspannung am Ausgang des Verstärkers 61 weiterhin die Amplitude der Spannung des Oszillators zur Speisung des Transformators. Da jedoch diese Fehlerspannung klein wird, verringert sich die Amplitude des modulierten Signals, so daß die Transistoren 41, 42 nicht mehr in den Zustand der Sättigung überführt werden können. Sie verhalten sich also wie in Reihe mit

stände, deren Widerstandswerte umgekehrt proportional zum durch den Differentialverstärker 61 gelieferten und die Spannung des Oszillators 64 modulierenden Fehlersignal sind. Die Transistoren 41 und 42 bilden dadurch ein analoges Stellglied des Regelkreises für die hohe Spannung am Punkt C und der durch den Widerstand 40 und die Transistoren fließende Strom ist sehr schwach.

Die Schaltelemente 43, 44, 45, die zwischen dem Kollektor und dem Emitter jedes der Transistoren 41 und 42 liegen, sorgen für eine ausgeglichene Verteilung der Spannungen an den Klemmen dieser Transistoren sowohl während der Schaltvorgänge als auch während der Regelvorgänge.

Während der Umschaltung auf hohes Spannungsniveau sowie des nachfolgenden Haltens der Hochspannung an der Stelle C wird auf den Eingang 67 des Steuerkanals der Transistoren 50, 51 des Glieds 5 kein Befehl gegeben, so daß diese Transistoren gesperrt sind.

Zur Umschaltung von der an der Stelle C an den Verbraucher 1 angelegten Gleichspannung vom oberen Wert zum unteren Wert, d. h. von 18 kV auf 10 kV. und zur Aufrechterhaltung der hohen Spannung auf diesem niedrigen Wert geht man in zwei Schlitten vor.

In einem ersten Schritt legt man an den Eingang 67 eine Bezugsspannung U 2 an, wobei der Eingang 62 nicht gesteuert wird, t/2 repräsentiert den unteren Wert der an der Stelle C gewünschten Hochspannung analog zu U1. die den oberen Wert der Spannung an C repräsentiert. Das vom Verstärker 66 zuerst gelieferte große Fehlersignal überführt die Transistoren 50 und 51 in den gesättigten Zustand. Sie bilden in Reihe geschaltete Umschalter, mit denen die Entladung des Kondensators 11 in einem Zeitraum erfolgen kann, der von der Zeitkonstante abhängt, die durch den Widerstand 52 und den Kondensator 11 bestimmt wird; da die Kapazität des Kondensators 32 wesentlich größer, etwa mindestens zwanzigmal größer gewählt ist als die Kapazität des Kondensators 11, spielt sie hier praktisch keine Rolle. Der durch die in Reihe liegenden Transistoren 50,51 fließende Entladestrom des Kondensators 11 wird durch den Widerstand 52 begrenzt Die der F.ntladiing des Kondensators 11 entsprechend* Ladungsmenge wird im Kondensator 32 aufgefangen wodurch die Spannung an den Klemmen des Kondensa tors 32 jedoch nur geringfügig geändert wird, di zwischen den Kapazitäten der Kondensatoren 32 und I der erwähnte große Unterschied besteht.

In einem zweiten Schritt wird die niedrigen Bezugsspannung t/2 an den Bezugseingang 62 de Differentialverstärkers 61 angelegt, wobei dann de Eingang 67 des Verstärkers 66 nicht mehr gesteuer wird. In diesem zweiten Schritt moduliert die an Ausgang des Differentialverstärkers 61 liegende niedri ge Fehlerspannung die Amplitude der Spannung de Oszillators 64 zur Steuerung der Transistoren 41 und 42 die in Reihe mit dem Verbraucher 1 als Stellgliei geschaltet wirken.

Mit der hier beschriebenen Schaltung können aucl Zwischenwerte für die Hochspannung zwischen 10 k\

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anderen Farben dienen können, wobei die entsprechen den Bezugsspannungen an die Eingänge 62 und 67 au entsprechend programmierte Befehle hin angeleg werden. Bei einem Übergang von einem Hochspan nungswert auf einen höheren Hochspannungswer erfolgt das rasche Aufladen der Kapazität de Verbrauchers und dann die Regelung auf dem hohei Wert der Spannung an den Klemmen des Verbraucher durch e'ti Glied 4, das als mit dem Verbraucher in Reihi geschaltetes Schalt- und Stellglied arbeitet, während be einem Übergang von einem Hochspannungswert au einen niedrigeren Hochspannungswert die raschi Entladung der Kapazität des Verbrauchers durch da Glied 5 erreicht wird, das als Schalter wirkt, während du Regelung auf dem niedrigeren Wert der Hochspannunj durch das Glied 4 erfolgt, das dann als mit den Verbraucher in Reihe geschaltetes Stellglied eine Regelkreises wirkt.

In einer hier nicht dargestellten Variante kann de Steuerkanal für das Glied 5 so ausgeführt werden wii der Steuerkanal für das G'iied 4. so daß beide Kanäli sowohl als Schalt- wie auch als Regelglieder arbeitet können.

In einer hier nicht dargestellten Variante werden zi den Spannungsquellen 2 und 3 weitere Spannungsquel len hinzugefügt, um Zwischenabgriffe zu bilden, und dei Gliedern 4 und 5 entsprechende Kreise können dii Umschaltung der Spannung auf die jeweils gewünschtei Werte gestatten.

In einer weiteren ebenfalls nicht dargestellte! Variante werden weitere Spannungsquellen zu dei Spannungsquellen 2 und 3 hinzugefügt, um Zwisch nab griffe zwischen A und B mit Werten zu bestimmen, dii in der Nähe der gewünschten Zwischenspannungsstufei liegen, und der Widerstand 52 kann an A oder einei dieser Zwischenabgriffe angeschaltet werden; ebens« kann der Widerstand 40 an B oder einen de Zwischenabgriffe geschaltet werden; die Steuerbefehl· für diese Umschaltvorgänge können von programmier ten Befehlen geliefert werden, die außerdem die an dii Differentialverstärker der Steuerkreise angelegte) Bezugsspannungen bestimmen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Generator für eine hohe Gleichspannung, die zur Speisung eines kapazitiven Verbrauchers zwischen mehreren Potentialstufen umschaltbar ist, wobei der Generator eine Hochspannungsquelle umfaßt, die mindestens zwei diskrete Spannungspegel liefert, zwischen denen die η Potentialstufen liegen, ferner einen Umschaltkreis für das rasche Aufladen oder Entladen der Kapazität des Verbrauchers und einen Regelkreis zum Einregeln der Gleichspannung auf die gewünschte Stufe, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Leistungstransistorblöcke (41,42; 50,51) vorgesehen sind, die je an den Verbraucher (1) und über einen Strombegrenzungswiderstand (40, 52) an jeweils einen anderen der von der Spannungsquelle (2—3) gelieferten Spannungspegel angeschlossen sind und für unterschiedliche Leitrichtungen ausgelegt sind, und daß ein Steuerkreis (6) vorgesehen ist, der je einen Steoeikanal für jeden Transistorblock sowie in jedem Steuerkanai Mittel (6i, 66) aufweist, mit denen ein Signal erzeugt wird, das die Fehlerspannung zwischen dem Wert der Spannung an den Klemmen des Verbrauchers und der gewünschten Spannungsstufe repräsentiert und die Transistoren (50,51) eines Blocks in die Sättigung steuert, und daß mindestens einer der Steuerkanäle einen Modulator (63) aufweist, der das Signal eines Oszillators (64) empfängt und dessen Modulation durch das das Fehlersignal repräsentierende Signal durchführt, um die Transistiren (41, 42) des ihm zugeordneten Blocks bei größerem Wert des Fehlersignals in den gesättigten Zustand zu überführen und bei geringerem Wert den Block als Stellf 'ied eines analogen Regelkreises zu betreiben.
2. Generator nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (41, 42; 51, 52) jedes Blocks von einem Trenntransformator (46, 56) gesteuert werden, dessen Primärwicklung (47, 57) durch das Signal am Ausgang des entsprechenden Steuerkanals gespeist wird und der so viele zwischen Basis und Emitter der Transistoren geschaltet? Sekundärwicklungen (48, 58) aufweist, wie in Reihe geschaltete Transistoren in dem Block vorhanden sind.