DE2831730A1 - Modulations-schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Modulations-Schaltung und insbesondere eine Amplituden-Modulationsschaltung, bei der ein Impulsbreiten-Modulator verwendet wird. Um eine Amplituden-Modulationsschaltung mit hoher Wirksamkeit zu schaffen, wurde bereits vorgeschlagen, einen Impulsbreiten-Modulator zu verwenden, der seinerseits nur sehr wenig Leistung absorbiert, um einen digitalen Impulszug zu erzeugen, der ein veränderbares Tastverhältnis besitzt, und dahinter ein Tiefpaßfilter anzuordnen, das eine Wellenform mit veränderlicher Amplitude aus dem Impulszug ableitet.

Eine mit einem Gitter versehene; Röhre, wie z.B.eine Tetrodenröhre kann als wirksamer Impulsbreiten-Modulationsschalter verwendet werden und während sie leitend gemacht ist, kann sie einen hohen Strom von ihrer Kathode zu ihrer Anode führen, wobei sie selbst relativ wenig Leistung absorbiert bzw. verbraucht. Wenn die Impedanz der Schaltung so beschaffen ist, daß sie verhindert, daß dieser große Strom, der von der Kathode emittiert wird, zur Anode gelangt, dann wird ein großer Teil des emittierten Stroms zur Schirmelektrode abgeleitet. Dies hat einen übermäßig hohen Schirmstrom und somit einen sehr hohen, unannehmbar großen Leistungsverbrauch in der Tetrodenröhre zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Modulations-Schaltung zu schaffen, bei der die Schirmelektrode in einer relativ einfachen und wirtschaftlichen Weise angesteuert wird, wodurch verhindert wird, daß eine übermäßig hohe Verlustleistung in der Tetrodenröhre selbst auftritt.

Gemäß der Erfindung umfaßt eine Modulations-Schaltung einen Impulsbreiten-Modulationsschalter in Form einer schaltbaren Röhre, die eine Gitterelektrode, an die im Betrieb ein Impulsbreiten-Modulations-Steuersignal angelegt ist, und eine Schirm-

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elektrode umfaßt, sowie eine Vorrichtung zum Anlegen eines im wesentlichen konstanten Vorspann-Stroms an die Schirm-Elektrode für diejenigen Zeiträume, in denen die Rohre durch das Anlegen eines geeigneten Steuersignals an die Gitterelektrode leitend gemacht ist, und schließlich ein Tiefpaßfilter, das so angeordnet ist, daß es die Frequenzen im Bereich der Schaltfrequenz des Steuersignals abschwächt. Vorzugsweise ist die schaltbare Röhre . eine Tetrode. In vorteilhafter Weise ist eine weitere schaltbare Vorrichtung parallel zu zwei Eingangsanschlüssen des Tiefpaßfilters angeschlossen, die dazu dient, einen Kurzschlußpfad für den Strom im Tiefpaßfilter zu bilden, während der Impulsbreiten-Modulationsschalter nichtleitend ist.

Die weitere schaltbare Vorrichtung kann eine Triodenröhre oder ein Transistor sein, doch vorzugsweise ist sie ebenfalls eine Tetrode, die eine Gitterelektrode aufweist, an die ein Signal angelegt wird, das in Gegenphase zum Impulsbreiten-Modulations-Steuersignal liegt.

Vorzugsweise besitzen die beiden Tetrodenröhren eine gemeinsame Stromquellenvorrichtung, die dazu dient, einen Vorspann-Strom für ihre jeweiligen Schirmelektroden zu liefern. Vorteilhafterweise umfaßt die gemeinsame Stromquellen-Vorrichtung eine Induktivität, die mit einer Potentialquelle in Reihe liegt. Wenn die beiden Tetrodenröhren wechselweise unter der Einwirkung der jeweiligen gegenphasigen Gitter-Steuersignale leitend gemacht werden, dann wird der Schirmstrom, der von der Induktivität und der Potentialquelle geliefert wird (wobei diese beiden Elemente zusammen als Generator für einen im wesentlichen konstanten Strom wirken) jeweils zu der Schirmelektrode derjenigen Tetrodenröhre geleitet, die zu diesem Augenblick leitend ist.

In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, eine Widerstands-Impedanz bzw. Ohm'sche Impedanz in Reihe mit der Induktivität

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vorzusehen, um einen unter ungünstigen Betriebsbedingungen ansonsten fließenden außerordentlich hohen Strom zu begrenzen, doch normalerweise führt der Innenwiderstand der Schirmelektrodenschaltung und die Innenimpedanz der Potentialquelle zu einer ausreichend hohen Impedanz.

Bei Ausführungsformen des Impulsbreiten-Modulationssystems, bei denen die Kathode derschaltbaren Röhre, die den Impulsbreiten-Modulationsschalter bildet, so angeordnet ist, daß sie zwischen Erdpotential und einem Hochspannungs-Potential unter der Einwirkung des Impulsbreiten-Modulations-Steuersignals, das an die Gitterelektrode der schaltbaren Röhre angelegt ist, hin- und hergeschaltet wird, ist vorzugsweise die Gitter-Ansteuerschaltung, die das Steuersignal an die Gitterelektrode anlegt, elektrisch vom Erdpotential mit Hilfe eines Opto-Kopplers isoliert bzw. getrennt.

Vorzugsweise umfaßt der Opto-Koppler einen ßlektro-optischen Umsetzer und einen opto-elektrischen Umsetzer, die mit Hilfe einer elektrisch isolierenden optischen Faser miteinander gekoppelt sind.

Wenn, wie oben angegeben, zwei Tetrodenröhren vorgesehen sind, werden vorzugsweise die jeweiligen Gitterelektroden-Steuersignale unter Verwendung eines gemeinsamen optischen Kopplers abgeleitet, der einen gemeinsamen optischen Faserweg aufweist.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Figur 1 eine bekannte Amplituden-Modulations-Schaltung, bei der ein Impulsbreiten-Modulator verwendet wird,

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Figur 2 eine Amplituden-Modulations-Schaltung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Impulsbreiten-Modulators und

Figuren 3 bis 6 mögliche Abwandlungen eines Teils der in Fig. 2 wiedergegebenen Schaltung.

Gemäß Fig. 1 ist eine schaltbare Tetrodenröhre 1 mit einem Anschluß 2 verbunden, an dem eine Hochspannungs-Potentialquelle typischerweise mit 25 kV angelegt ist. Die Kathode der Tetrode 1 ist mit der Kathode einer Diode 3 und weiterhin über eine Induktivität l± mit einem Tiefpaßfilter 5 verbunden. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 5 wird einer HF-Verstärkerstufe 6 zugeführt, die eine weitere Tetrodenröhre 7 umfaßt, die mit einer Induktivität 8 in Reihe liegt. Der Zweck dieser Schaltung besteht darin, eine Amplituden-Modulation einer Trägerfrequenz zu bewirken, die mit einem sehr hohen Energiepegel einer Sendeantenne 9 zugeführt wird. Die Trägerfrequenz wird an die Gitterelektrode der Tetrodenröhre 7 angelegt. Das hereinkommende Tonfrequenzsignal wird in geeigneter Weise durch nichtdargestellte Mittel in einer Impulsbreiten-Modulations-Form kodiert, wobei eine Abtast- oder Zerhackerfrequenz verwendet wird, die wesentlich höher als die höchste Tonfrequenz ist. Das kodierte Signal wird verstärkt und an die Steuergitter-Elektrode 10 der ersten Tetrode 1 angelegt. Dies bewirkt, daß eine Impulsbreiten-Endstufen-Modiilationswellenförm bzw. Impulsbreiten-Modulationswellenform mit hohem Leistungspegel mit einer Amplitude, die im wesentlichen gleich der am Anschluß 2 anliegenden Versorgungshochspannung ist, an der Induktivität k erscheint, die die Impulsbreiten-Modulationswellenform in ein Tonfrequenzsignal mit hohem Leistungspegel zurückverwandelt. Das Tiefpaßfilter 3 beseitigt weiterhin unerwünschte Signalkomponenten aus dem Tonfrequenzsignal, das hierauf an den HF-Verstärker 6 angelegt wird, dessen maximaler Amplitudenhub von 0 V (Erde) bis zum Pegel der Versorgungshochspannung abzüglich der Verluste

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reicht, die in der Tetrodenröhre 1 und anderen in Reihe liegenden Bauelementen erzeugt werden. Ein Kondensator 11 ist über die Ausgangsanschlüsse der Hochspannungs-Versorgungsquelle gelegt.

Die Diode 3 kann eine herkömmliche Diode mit nur einer Anode und einer Kathode oder eine Röhre sein, die ein Steuergitter besitzt, welches beständig in den leitenden Zustand vorgespannt ist, so daß die Bohre immer dann leitet, wenn eine vorwärtsgerichtete bzw. in Durchlaßrichtung gepolte Spannung an sie angelegt wird. Dieser Zustand tritt normalerweise immer dann auf, wenn die Tetrodenröhre 1 nichtleitend ist. Die wiedergebildete Tonfrequenz-Wellenform fließt kontinuierlich als ein Strom durch die Induktivität 1+ und dieser Strom fließt durch die Tetrodenröhre 1 immer dann, wenn sie leitend ist und durch die Diode 3 immer dann, wenn die Tetrodenröhre 1 nichtleitend ist. Obwohl dieser Tonfrequenz-Strom durch die Impulsbreiten-Modulations-Schaltwirkung der Tetrodenröhre 1 bestimmt wird, wird die momentane Amplitude und Phase des Stroms durch die Induktivität 1+ und das Tiefpaßfilter 5 gesteuert. Während die Tetrodenröhre 1 und die Diode 3 in ihrem leitenden Zustand sind, müssen sie in Bereitschaft vorgespannt werden, um den Spitzenwert bzw. Scheitelwert des durch die Induktivität 4 fließenden Tonfrequenz-Stroms plus jeglicher Welligkeit und jeglichen Übergangs- bzw. Einschwingsignals durchzulassen, die mit der hochfrequenten Impulsbreiten-Modulations-Zerhackerwellenform verbunden sind.

Es ist üblich, eine Tetrodenröhre anstelle der Diode 3 zu verwenden, so daß in der gesamten Schaltung Röhren mit ähnlichen bzw. gleichen Kennlinien eingesetzt werden können, und wenn die Röhren für diesen Anwendungsfall nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten ausgewählt worden sind, so haben sie hinsichtlich ihrer Spitzenstrom-Aufnahmefähigkeit nur eine geringe Reserve und erfordern daher positive Schirmelektroden- und Steuergitter-Elektroden-Spannungen, die dicht bei ihrem maximal zulässigen Wenn- bzw.

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Betriebswert liegen, um den Scheitelstrom bei einer niedrigen Anoden-Kathoden-Spannung zu leiten, die für eine hohe Wirksamkeit und eine geringe Verzerrung erforderlich ist. Während der Scheitel-Anoden-Strom fließt, sind die von der Schirmelektrode 12 und der Steuergitter-Elektrode 10 gezogenen Ströme ziemlich niedrig. Wenn die Schirmelektrode und die Steuergitterelektrode auf voll positiven Spannungspegeln gehalten werden, während der Anodenstrom wesentlich kleiner als sein maximaler Scheitelwert ist, dann wird die von den beiden Elektroden gezogene überschüssige Kathodenemission, die jedoch vom Anodenkreis nicht benötigt wird, grundsätzlich zur Schirmelektrode abfließen. Da die Röhren meistens bei einem Anodenstrom arbeiten, der wesentlich kleiner als der Scheitelstrom ist, führt dies zu einer beträchtlichen über-Verlustleistung im Schirmkreis, die unannehmbar hoch ist.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dargestellt und man sieht, daß der grundlegende Aufbau der Schaltung sehr ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau ist, doch wurden das Tiefpaßfilter 5 und der Verstärker 6 der Bequemlichkeit halber in einen einzigen Block 21 zusammengefaßt. Die Tetrodenröhre 1 ist wie zuvor über die Induktivität Zj. mit dem Tiefpaßfilter verbunden, doch wird nun die Diode 3 von einer zusätzlichen Tetrodenröhre 22 gebildet, die parallel zu den Eingangsanschlüssen 1Zj. und 13 des Tiefpaßfilters angeschlossen ist. Die Tetrodenröhren 1 und Z2. teilen sich eine gemeinsame Schirmelektroden-Vorspannschaltung, die von einer Induktivität 23 gebildet wird, die mit einer Spannungsquelle 2Zf von typischerweise 500 V in Reihe liegt.

Die Gitter-Steuer-Wellenform besteht idealerweise aus einem Impulsbreiton-Modulationssignal, das ungefähr 1OOnS-Flanken besitzt,

sich
und da aas Tastverhältnis der Impulsbreiten-Modulations-Wellenform von 0 % bis 100 % unter den sich ändernden Modulationsbedingungen ändern kann, muß das Gitter-Ansteuersystem eine Bandbreite

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besitzen, die sich herunter bis zu den tiefsten zu verwendenden Tonfrequenzen d.h. bis typisch 30 Hz erstreckt. Das Gitter-Ansteuersignal muß von den Wiederspannungs-Erzeugungsschaltungen, die die Impulsbreiten-Modulations-Wellenform erzeugen, zum Röhrendeck gekoppelt werden, das zwischen Erde und dem am Anschluß 2 angelegten Hochspannungspegel hin- und hergeschaltet wird. Das Röhren deck ist der den im wesentlichen bei Kathodenpotential arbeitenden Tetrodenröhren 1 und ZZ zugeordnete Teil der Schaltung. Das Impulsbreiten-Modulationsgitter-Treibersignal wird an einen elektro-optischen Umsetzer 26 angelegt, der eine Vorrichtung, wie z.B. eine Leuchtdiode umfaßt, die in Übereinstimmung mit dem Impulsbreiten-Modulationssignal, das an den Konverter angelegt ist, ein moduliertes optisches Signal erzeugt. Eine optische Faser Z] überträgt das o-ntisch-modulierte Signal zu einem optischen Empfänger 28, der auf i^athodenpotential der beiden Tetrodenröhren 1 und 22 liegt. Auf diese Weise sind die Gitter-Ansteuersdhaltungen 29 und 30 elektrisch von der Erde bzw. Masse getrennt. Der optische Empfänger 28 umfaßt eine Schaltung, die Signale in wechselseitiger Gegenphasenlage für die Gitter-Ansteuerschaltungen 29 und 30 'erzeugt, so daß die eine Tetrodenröhre leitend ist, während die andere nichtleitend ist, und umgekehrt. Die Gitter-Ansteuerschaltungen 29 und 30 liefern ihrerseits lediglich das erforderliche Ausmaß von Verstärkung für die Ansteuerspannung. Das Tastverhältnis des Signals, das von dem elektro-optischen Konverter 26 an die Gitter angelegt wird, kann so eingestellt werden, daß es den Gesamtleistungspegel des vom Ausgangs-HF-Verstärker übertragenen bzw. abgegebenen Signals festlegt, indem das mittlere Tastverhältnis des Impulsbreiten-Modulationssignals gesteuert wird.

Die Verwendung einer optischen Trennung ermöglicht es, die Kathoden- Erd-Kapazität auf einem absoluten Minimum zu halten. Das Vorhandensein einer unerwünschten Kathoden-Erd-Kapazität verzerrt in erheblichem Maß das durch die Induktivität l\ und das Tiefpaßfilter wiedergewonnene bzw. wiederhergestellte Tonsignal, und

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es ist daher von großer Bedeutung, diese Kapazität so weit als irgend möglich zu verringern.

Die Schirm-Ansteuerschaltung, die von der Induktivität 23 und der Spannungsquelle Zh, gebildet wird, stellt eine besonderes wirtschaftliche Schaltungsanordnung dar, da die beiden Tetrodenröhren 1 und 22 gegenphasig durch die beiden Gitter-Ansteuerschaltungen 29 und 30 angesteuert werden, wobei der Schirm-Vorspann-Strom automatisch jeweils zu derjenigen der beiden Tetrodenröhren hingeleitet wird, die in dem betreffenden Augenblick leitend ist.

Fig. 3 und l\ zeigen noch mehr im einzelnen alternative Ausführungsformen der Schirm-Ansteuerschaltung, die einen im wesentlichen konstanten Vorspann-Strom für die Schirm-Elektroden 38 und 39 erzeugt. In Fig. 3 ist eine Induktivität 31 mit einem gleichrichtenden Dioden-Brückennetzwerk 32 verbunden, und es .ist eine zusätzliche Induktivität 34 zwischen dem Netzwerk 32 und einem Transformator 35 vorgesehen. Der Transformator 35 kann bequemerweise über, die Anschlüsse 36 und 37 an den für die Tetrodenrehren erforderlichen Heiztransformator angeschlossen werden. Die Induktivität 3k liefert eine zusätzliche Stromstabilisierung, die wünschenswert sein kann^enn der Anodenstrom der leitenden Tetrodenröhre klein ist.

In Fig. L\. ist eine Spannungs-Verdopplungssehaltung gezeigt, die in der Lage ist, einen im wesentlichen verlustlos gesteuerten Ausgangsstrom zu liefern. In den beiden Fig. 3 und Z₁. kann ein Kondensator i|O vorgesehen werden und Zwischenabgriffe am Transformator können verwendet werden, um den Anfangsstrompegel einzustellen. Zusätzlich können in beiden Fällen kleine Serienwiderstände direkt an jeder Schirm-Elektrode angeschlossen werden, um parasitäre Oszillationen zu verhindern oder die Einflüsse eines Röhrenbogens zu verringern.

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Eine abgewandelte Schirm-Elektroden-Vorspann-^Schaltung ist in Fig. 5 dargestellt, die verwendet werden kann, wenn die Tetrodenröhre 1 allein verwendet wird. Die Tetrodenröhre 1 besitzt ein Schirmgitter 41, das mit einer Induktivität 23 und einer Spannungsquelle 24 verbunden ist, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. In diesem Fall ist eine zusätzliche Kurzschlußschaltung, die aus einem Schalter 43 und einer Impedanz 42 besteht, zwischen das Kathoden-Potential und die Schirm-Elektrode 41 gelegt. Wenn die Tetrodenröhre 1 vermittels eines geeigneten Gitter-Ansteuersignals, das an die Gitterelektrode 44 angelegt ist, nichtleitend gemacht ist, dann ist der Schalter 43 geschlossen und liefert somit einen Kurzschlußpfad mit niederer Impedanz für die Überschußspannung, die sich andernfalls über der Induktivität 22 unter diesen Bedingungen aufbauen würde.

Wenn die andere Tetrodenröhre 22 allein verwendet wird, um die Aufgabe der Diode 3 zu erfüllen, kann die Anordnung aus Fig. 6 verwendet werden, um einen geeigneten und im wesentlichen konstanten Vorspannstrom an die beiden Schirm- und Gitterelektroden anzulegen, um eine adäquate Vorwärtsleitung zwischen der

Anode und der Kathode zu schaffen, ahne daß übermäßige Verluste an den Schirm- oder Gitterelektroden auftreten. Die Spannungsquellen und Induktivitäten an den Schirm- und Gitterelektroden, die in Fig. 6 dargestellt sind, können durch die Vorspann-Quellen ersetzt werden, wie sie in Fig. 3 oder 4 dargestellt sind, um gewünschtenfalls eine verbesserte Steuerung der Vorspann-Ströme zu ermöglichen. Zusätzlich können auch Serienwiderstände verwendet werden. Da für einen 'Diodenbetrieb diese Tetrode nicht am Gitter gesteuert werden muß, um sie nichtleitend zu machen, ist kein zusätzlicher, dem Schalter 43 aus Fig. 5 entsprechender Schalter erforderlich.

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Claims (9)

Patentans prüche

1.JModulations-Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Bestandteile umfaßt: einen Impulsbreiten-Modulationsschalter in Form einer schaltbaren Röhre (1), die eine Gitterelektrode, an die im Betrieb ein Impulsbreiten-Modulations-Steuersignal angelegt ist, und eine Schirmelektrode besitzt, eine Vorrichtung (23, 2.1+) zum Anlegen eines im wesentlichen konstanten Vorspann-Stroms an die Schirmelektrode in den Zeiträumen, in denen die Röhre durch das Anlegen eines geeigneten Steuersignals an die Gitterelektrode leitend gemacht wird, und ein Tiefpaßfilter (21), das so angeordnet ist, daß es die bei der Sehaltfrequenz des Steuersignals liegenden Frequenzen abschwächt.

2. Modulations-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbare Röhre eine Tetrode ist.

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3. Modulations-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere schaltbare Vorrichtung parallel zu zwei Eingangsanschlüssen des Tiefpaßfilters angeschlossen ist und dazu dient, einen Kurzschlußpfad für den Strom im Tiefpaßfilter zu bilden, während der Impulsbreiten-Modulationsschalter nichtleitend ist.

Jf. Modulations-Schaltung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die weitere schaltbare Vorrichtung eine Tetrodenröhre ist, die eine Gitterelektrode aufweist, an die im Betrieb ein Signal angelegt wird, das zum Impulsbreiten-Modulations-Steuersignal in Gegenphase liegt.

5. Modulations-Schaltung nach Anspruch k, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t, daß die beiden Tetrodenröhren eine gemeinsame Stromquellenschaltung besitzen, die für ihre beiden Schirmelektroden einen Vorspann-Strom liefert.

6. Modulations-Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Stromquellenschaltung eine Induktivität umfaßt, die mit einer Potentialquelle in Reihe liegt.

7. Modulations-Schaltung nach einem der Ansprüche 2. bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode der schaltbaren Rohre, die den Impulsbreiten-Modulationsschalter bildet, so angeordnet ist, daß sie zwischen Erdpotential und einem Hochspannungspotential unter der Wirkung des Impulsbreiten-Modulations-Steuersignals hin- und hergeschaltet werden kann, das an die Gitterelektrode der schaltbaren Röhre angelegt ist, und daß die Gitter-Treiber- bzw. -Ansteuerschaltung, die das Steuersignal an die Gitterelektrode anlegt, elektrisch vom Erdpotential durch einen optischen Koppler getrennt ist.

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8. Modulations-ßchaltung nach. Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der optische Koppler einen elektro-optischen Umsetzer und einen opto-elektrischen Umsetzer umfaßt,
die durch eine elektrisch isolierende optische Faser miteinander gekoppelt sind.

9. Modulations-Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Gitterelektroden-Steuersignale für die beiden Tetrodenröhren unter Verwendung eines gemeinsamen optischen Kopplers und unter Verwendung
eines gemeinsamen optischen Faser-Pfades abgeleitet werden.

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