DE3309248A1 - Ueberspannungsschutzschaltung fuer impulsmodulatoren und modulator fuer radareinrichtungen mit einer solchen ueberspannungsschutzschaltung - Google Patents

Description

RAYTHEON COMPANY, l4l Spring Street, Lexington, MA 02173, Vereinigte Staaten von Amerika

Überspannungschutzschaltung für Impulsmodulatoren und Modulator für Radareinrichtungen mit einer solchen Uberspannungsschutzschaltung

Die Erfindung betrifft eine Uberspannungsschutzschaltung zur Begrenzung der Ausgangsspannung eines Modulators auf einen vorgegebenen Wert, wenn der zugehörige Impulsoszillator, z.B. Magnetron, im Leerlauf arbeitet oder ausfällt, und einen Modulator für Radareinrichtungen mit einem Übertrager zur Speisung eines Magnetrons mit Radarimpulsen in Verbindung mit einer Impulsendekapperschaltung und einer solchen Überspannungsschutzschaltung .

Viele Radarmodulatoranordnungen arbeiten mit einem Magnetron oder anderen Oszillatoren zur Erzeugung der Radarimpulse, wobei Funkenstreckenelemente verwendet werden, die bei erhöhter Spannung, beispielsweise infolge Leerlaufs des Magnetrons, wirksam werden und Schaltkreiselemente kurzschließen. Diese Funkenstrecken-

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elemente verhindern dabei, daß die an das leerlaufende Magnetron und die zugehörigen Schaltungsteile gelieferte Spannung das Zweifache der normalen Betriebsspannung übersteigt. Derartige Funkenstreckenelemente arbeiten jedoch nicht in ausreichendem Maße zuverläsig. Auch ist ihre Lebensdauer begrenzt, sowie ein Auswechseln dieser Elemente relativ kostspielig. Darüber hinaus erfordern Radareinrichtungen für den Betrieb bei kurzen Reichweiten häufig teure Relais zum Kurzschließen der hinteren Flanken der Radarimpulse gegen Erde, deren Kontakte ebenfalls nur eine begrenzte Lebensdauer aufweisen. Das Auswechseln dieser Modulatorelemente ist nicht nur kostspielig, sondern sie müssen auch mit den relativ hohen Spannungen, die an das Magnetron gelie-

^Λ5 fert werden, arbeiten, was zur Lichtbogenbildung und anderen Betriebsstörungen der Radareinrichtung führt.

Es ist daher allgemein Aufgabe der Erfindung, eine Überspannungsschutzschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau sicher arbeitet, weniger störanfällig ist, keine unnötigen Betriebsstörungen verursacht, sowie mit Bezug auf die Anwendung in Modulatoren· für Radareinrichtungen zusätzlich als Impulsendekapper bei kurzen Impulsen im Nahbereich eingesetzt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung wird also eine zusätzliche unabhängige dritte Wicklung des Modulationsübertragers vorgesehen, die es ermöglicht, daß mit niedrigeren Spannungen gearbeitet werden kann und daher billigere Halbleiterbauelemente verwendet werden können. Diese unabhängige Wicklung wird in einfacher Weise auch zur Laststeuerung für den Übertrager genutzt und damit eine auf der Sekundärseite gegebenenfalls auftretende Über-

spannung begrenzt. Durch den gewählten Aufbau der Schalteinrichtungen für die Lastnachbildung durch Energiespeichereinrichtungen in Verbindung mit Speisesteuereinrichtungen und Ableitsteuereinrichtugen kann zugleich die Funktion als Impulsendekapper ohne zusätzlichen Aufwand ausgeübt werden.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüce 2 bis 14, während sich Patentanspruch 15 auf einen Modulator der eingangs genannten Art mit einer Überspannungsschutzschaltung gemäß der Erfindung bezieht, dessen kennzeichnenden Merkmale die Ansteuerbedingungen für die Überspannungsschutzschaltung als Impulsendekapper zum Gegenstand haben .

Diese und weitere Einzelheiten der Erfindung seien nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Danach zeigen in Gegenüberstellung

FIG 1 das Prinzipschaltbild eines Radarmodulatorschaltkreises mit Impulsendekapper- und Überspannungsschutzschaltung für das Magnetron und 25

FIG 2 ein vereinfachtes Schaltbild der gleichzeitig

als Impulsendekapper arbeitenden Überspannungsschutzschaltung gemäß der Erfindung.

Der in FIG 1 gezeigte bekannte Radarmodulatorschaltkreis für ein Magnetron 22 arbeitet mit einer Gleichspannung liefernden Energiequelle 11. Anstelle der Gleichspannung kann auch eine Sinusspannung, eine Rechteckspannung oder eine andere Form einer Wechselspannung verwendet werden. Diese Energiequelle 11 ist mit der

Primärwicklung eines herkömlichen Modulations Übertragers 12 über eine Ladedrossel 14 und eine Sperrdiode 16 verbunden. Zusätzlich bildet ein Thyrisotr 18 einen Entladestromkreis, der abhängig von zeitgerechten Triggerirapulsen wirksam geschaltet wird und durch Entladen einer herkömmlichen Impulsformerschaltung 20 einen Modulationsimpuls in der Primärwicklung des Modulationsübertragers 12 erzeugt, mit dem das Magnetron in einem bekannten Magnetronsendekreis gepulst wird.

Die Länge der Magnetronimpulse wird in der Regel bestimmt durch die Gleichstromkonstanten der Impulsformerschaltung 20 und der Entladungsdauer des Thyristorentladungskreises 18 abhängig von den Zeitsteuerimpulsen der herkömmlichen Steuereinrichtung 24, die eine Folge von Triggerimpusen zur Aufsteuerung des Thyristors 18 liefert. Diese Zeitsteuersignale werden bei den üblichen Radareinrichtungen in der Regel von einem Radar-Reichweitenauswahlschaltkreis 25 abgeleitet, der entsprechend der Einstellung einer kürzeren Radarreichweite den Thyristor 18 in kürzeren Zeitabständen leitend schaltet. Ein derartiger Radarmodulator- und Reichweitenauswahl schaltkreis ist z.B. in dem US-Patent h.171 .51A des Anmelders beschrieben.

Wie FIG 1 weiterhin zeigt, ist die als bifilare Wicklungen 13b und 13c ausgebildete Sekundärwicklung des Modulationsübertragers 12 mit dem Kathodenheizkreis des Magnetrons 22 verbunden. Bei der Erzeugung von kurzen Magnetronimpulsen durch Kappen oder Unterdrücken der Magnetronimpulsenden sorgt eine Sättigungsdrossel 28 dafür, daß die Verkürzung der Impulse bis zum Ende der kurzen Impulse aufgehalten oder verhindert wird. Sobald jedoch die gewünschte Impulsbreite erreicht ist, sättigt die Sättigungsdrossel 28, und die Energie fließt über den Hochspannungsrelais-

schalter 26, der beim Betrieb mit kurzen Impulsen durch Erregung der' Wicklung des Relais 26 über die Steuereinrichtung 24 geschlossen worden ist. Dieser Relaisschalter ist während der Perioden der kurzen Impulse geschlossen und er bleibt auch geschlossen, damit die gewünschte Impulsendekappung durch die Sättigungsdrossel 28 in Reihe mit dem Lastwiderstand 31 durchgeführt werden kann. Während durch den Ausfall der Flagnetronheizung oder durch nicht richtiges Zünden.bedingter Überspannungsspitzen zündet die parallel geschaltete Glimmentladungsröhre 30 und schließt die am Widerstand 31 gegen Erde aufgebaute Spannung kurz. Dieser herkömmliche Schaltkreis erzeugt so bei nicht gezündetem Magnetron eine negative Sicherheitsspannung. Das bei dieser Schaltungsanordnung verwendete Hochspannungsrelais 26 unterliegt mechanischer Abnutzung, ist relativ kostspielig auszuwechseln, und.seine Kontakte haben nur eine begrenzte Lebensdauer. Auch die Glimmentladungsröhre 30 ist ein bekanntes Funkenstreckenelement in Verbindung mit Argon oder Tridium, das eine begrenzte Lebensdauer aufweist und desen Auswechselung ebenfalls kostspielig ist. Da beide Schaltungselemente der zum Pulsen des Plagnetrons verwendeten Hochspannung ausgesetzt sind, besteht eine Neigung zur Funkenbildung.

FIG 2 zeigt demgegenüber das Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispieles gemäß der Erfindung. Bei dieser Schaltungsanordnung übt ein und derselbe Thrystor die Funktion der Impulsendekappung und des Schutzes für das leerlaufende Magnetron aus. Dabei wird der in einer zusätzlichen Wicklung 13 des Radarmodulatorübertragers 12 fließende Strom in neuartiger Weise zur Verringerung der Breite von kurzen Radarsendeimpulsen durch Unterdrückung des Impulsendes bei Niederspannung und zur autorca-

tischen Bereitstellung einer Schutzlast für den Modulator, wenn das Magnetron leerläuft oder inaktiv ist, verwendet. Der Modulator arbeitet im wesentlichen wie der in FIG 1 gezeigte, und miteinander korrespondierende Teile beider Figuren sind durch das gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Die zusätzliche Wicklung des Übertragers 12A hat gegenüber der Primärwicklung ein Übersetzungsverhältnis von mehr als 2 : 1 und besteht beispielsweise aus acht Windungen eines Drahtes Nr. 22. Ein Ende der Wicklung ist geerdet, und das andere Ende ist mit einer Sättigungsdrossel 28 verbunden, die die Verkürzung der vorgegebenen gewünschten Pulsbreite verhindert oder aufhält. Sobald die Sättigungsdrossel 28 die gewünschte Impulsbreite zugelassen hat, sättigt sie. Die unerwünschte Impulsenergie am Ende des Impulses fließt dann durch die in Reihe geschalteten Sperrdioden ~$k und 35 in einen Kondensator 36, sofern der Thyristor 38 so geschaltet ist, daß er während der Kurzimpulsperiode im.Einschaltzustand und während einer typischen Langimpulsperiode im Ausschaltzustand verbleibt, was in herkömmlicher Weise durch den mit dem Steuerschaltkreis 24 verbundenen Reichweiteauswahl schalter 25A festgelegt wird. Der Kondensator 36 speichert so die von der Wicklung 13 erzeugte Spannung, wobei der geladene Kondensator 36 einen Langimpuls andauern läßt. Sobald die Sättigungsdrossel 28 den Impuls bis zur gewünschten Impulsbreite abgehalten hat, geht sie in den Sättigungszustand über. Die unerwünschte Impulsenergie fließt dann über die Dioden 34 und 35 in den Speicherkondensator 36, der diese Energie speichert. Die Ableitung der gespeicherten Impulsenergie nach Erde erfolgt durch den leitend gesteuerten Thyristor 38, wenn die Reichweite durch die bekannte Zeitsteuerung 2k abhängig von der Einstellung des Reichweitenschalters 25 geändert wird.

Wenn der Thyrisotr 38 daher leitend gesteuert wird, wird die unerwünschte gespeicherte Energie aus dem Kondensator 36, dessen Kapazität beispielsweise 0,5 uF beträgt, in der Impulspause über den in Reihe geschalteten Widerstand 37, dessen Widerstand beispielsweise 70 Ohm beträgt, und den parallelgeschalteten Widerstand 39, der die Entladezeit des Kondensators 36 bestimmt, nach Erde abgeleitet. Wenn daher der Thyristor 38 leitend geschaltet, ist, bildet er zusammen mit der Sättigungsdrossel 28, den Dioden 34 und 35, "dem Kondensator 36 und den Widerständen 37 und 39 einen Impulsverkürzungs- oder Impulsendekapperschaltkreis , der die unerwünschte gespeicherte Energie in den Impulspausen ableitet.

In neuartiger Kombination mit diesem Impulsendekapperschaltkreis arbeitet der bei einem leerlaufenden Magnetron wirksam werdende Schutzschaltkreis, indem die in reihe geschalteten Widerstände 42 und 44 einen Spannungsteiler mit einer Zenerdiode 46 bilden, die als Spannungsableitungskreis bei einem leerlaufenden Magnetron arbeitet. Die Widerstände 42 und 44 teilen daher die an der Wicklung 13 des Übertragers 12A bei leerlaufendem Magnetron auftretende Spitzenspannung. Die Sekundär- oder Ausgangswicklungen 13b und 13c des Übertragers 12A versorgen das Magnetron 22 mit Hochspannung.

Wenn das Magnetron 22 in den Leerlauf übergeht, übersteigt die am Spannungsteilerabgriff der Widerstände 42 und 44 anliegende Spannung die Zenerspannung der Zenerdiode 46, so daß diese leitend wird und den Thyristor 38 aufsteuert. Mit dem Leiten des Thyristors 38 ergibt sich eine Belastung gegen Erde für die Primärwicklung 13a, die ähnlich der durch das normal arbeitende

Magnetron 22 gegebenen Belastung ist. Dies hindert den Hauptentladungsthyristor 18 daran, daß er gezündet bleibt und während einer positiven Impedanzfehlanpassung leitet, die sich bei fehlender Last ergibt, beispielsweise bei einem Plagnetron im Leerlauf. Der Schutzschaltkreis bewirkt gegenüber der Übertragerprimärwicklung die Aufrechtehraltung einer im wesentlichen konstanten Impedanz, so daß der Modulator 10 keine das Zweifache der normalen Betriebsspannung übersteigende Spannung an das Magnetron 22 und die zugehörigen Schaltkreise liefern kann. Durch die Zusammenfassung von Impulsendekapper- und Schutzschaltkreis in Verbindung mit einem einzigen Niederspannungshalbleiter-Tyhristorelement können daher Funkenstreckenelemente und andere Elemente mit begrenzter Lebensdauer vermieden werden, wobei infolge des Arbeitens mit einer niedrigeren Spannung gegenüber der Magnetronspannung der Niederspannungsschutzkreis die Voraussetzung für eine fast unbegrenzte Lebensdauer für die übrigen Schaltkreise des Modulators schafft.

Abweichend von dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ergeben sich für den einschlägigen Fachmann eine Reihe von Abänderungsmöglichkeiten, ohne daß der eigentliche Erfindungsgedanke dabei verlassen wird. Die Erfindung ist daher nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern ihr Umfang ergibt sich aus den nachfolgenden Patentansprüchen.

Claims (15)

- 9--Patentansprüche

1.] Uberspannungsschutzschaltung zur Begrenzung der Ausgangsspannung eines Modulators auf einen vorgegebenen Wert, wenn der zugehörige Impulsoszillator , z.B. Magnetron, im Leerlauf arbeitet oder inaktiv wird, g e kennzeichnet *

- durch einen Modulationsübertrager (12A) mit einer Primärwicklung (13a) für die Zuführung von Modulatorimpulsen, einer Sekundärwicklung (13b, c) für die Weiterleitung der Modulatorimpulse an den Oszillator (22) und einer dritten unabhängigen Wicklung (13) und

- durch mit der unabängigen Wicklung (13) zusammenarbeitende Schalteinrichtungen (28, 36, 37, 38, 46) zur Nachbildung einer der Last des normal arbeitenden Oszillators (22) entsprechenden Last für die Primärwicklung (13a) bei nicht ordnungsgemäß arbeitendem Oszillator, wobei diese Schalteinrichtungen aus Energiespeichereinrichtungen (36), aus Steuereinrichtungen (28) für die Speisung der Energiespeichereinrichtung (36) mit einer vorgegebenen Energiemenge nach Ansprechen der Steuereinrichtungen (28) und aus Einrichtungen (37, 38) zum Ableiten einer der gespeicherten Energie unter aufrechterhaltung einer im wesentlichen konstanten und Überspannungen an der Sekundärwicklung (13b, c) vermeidenden Last am Modulationsübertrager (12A) im Zusammenwirken mit der unabhängigen dritten Wicklung (13).

2. Überspannungsschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unabhängige dritte Wicklung (13) mit den Primär- und Sekundärwicklungen (13a und 13b, c) des Übertragers (12A) magnetische gekoppelt ist und für die Sekundär-

wicklung (13b, c) eine geringere Streureaktanz bildet als für die Primärwicklung (13a).

3. Überspannungsschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der unabhängigen Wicklung (13) geerdet und das andere Errde mit den Einrichtungen (28, 36, 37, 48, 46) zur Nachbildung der Last verbunden ist.

4. Überspannungsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Schalteinrichtungen (28, 36, 37, 38) zur Nachbildung der Übertragerlast als Impulsendekapper arbeiten.

5. Überspannungsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen für die Speisung der Energiespeichereinrichtungen (36) aus einer Sättigungsdrossel (28) bestehen, die abhängig vom Sättigungszustand die Energiespeicherung steuert.

6. Überspannungsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß die Energiespeichervorrichtungen aus einem Kondensator (36) bestehen.

7. Überspannungsschutzschaltung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet ,daß die Sättigungsdrossel (2) und der Kondensator (36) eine Reihenschaltung am ungeerdeten Ende der unabängigen Wicklung (13) des Modulations Übertragers (12A) bilden.

8. Überspannungsschutzschaltung nach Anspruch 7, d a durch gekennzeichnet, daß in die

-U-Reihenschaltung Sperrdioden (34, 35) eingefügt sind.

9. Überspannungsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich· net, daß die Einrichtungen zum Ableiten der gespeicherten Energie einen Thyristor (38) aufweisen.

10. Überspannungsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich· net, daß die Schalteinrichtungen (28, 36, 37, 38, 46) zur Nachbildung einer konstanten Übertragerlast auf einen Spannungsanstieg am Ausgang des Modulationsübertragers (12A) ansprechen.

11. Überspannungsschutzschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Spannungsanstieg an der uabhängigen Wicklung (13) des Übertragers (12A) überwacht wird.

12. Überspannungsschutzschaltung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsanstieg durch eine Zenerdiode (46) ausgewertet wird.

13. Überspannungsschutzschaltung nach Anspruch 9 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor (38) durch die Zenerdiode (46) unmittelbar leitend schaltbar ist.

30.

14. Überspannungsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 in Verbindung mit einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Ableiten der im Kondensator (36) gespeicherten Energie einen parallel zum Kondensator angeordneten Belastungswiderstand (37) aufweisen.

-If.

15. Modulator für Radareinrichtungen mit einem Übertrager (12A) 2ur Speisung eines Magnetrons (22) mit Radarimpulsen in Verbindung mit einer I in pul sen de kapp erschaltung und einer Überspannungsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Überspannungsschutzschaltung zusätzlich als Impulsendekapperschaltung arbeitet und daß bei Erzeugung von kurzen Radarimpulsen für den Nahbereich den mit der unabhängigen Wicklung

(13) des Modulationsübertragers (12A) gekoppelten Energieeinrichtungen (26) die nach einer vorgegebenen Impulsbreite verbleibende überschüssige Impulsenergie zugeführt wird und diese Energie jeweils durch Wirksamschaltung des vorhandenen Ableitungskreises (37, 38) in den Impulspausen vernichtet wird.