DE3586921T2 - Pulsgenerator. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Modulator für einen Radarsender.
• Üblicherweise wird bei solchen Modulatoren eine hohe Gleichspannungsversorgung von manchmal mehr als 20 kV benutzt, um einen Kondensator auf zuladen, der dann durch die Ausgangsröhre durch Auslösen eines Schalters in Form eines anderen Vakuumröhren-Geräts entladen wird. Bei derartigen üblichen Systemen sind eine Anzahl von spezialisierten und teuren Hochspannungsbestandteilen erforderlich, und die Schaltung leidet bis zu einem gewissen Grad an der für das Vakuumröhren-Schaltgerät bezeichnenden Unzuverlässigkeit und begrenzten Lebensdauer. Weiter sind ausgeklügelte Schutzgeräte notwendig, um den Kondensator bei einer Lichtbogenbildung innerhalb der Ausgangsröhre des Senders kurzzuschließen.
• Es ist vorgeschlagen worden, mehrere Impulsbildungs-Netze jeweils mit einem zugeordneten Festkörper-Schaltermittel an die Primärseite eines spannungserhöhenden Transformators anzuschließen (LEE Transactions on Electron Devices Bd. ED-26, Nr. 10, Oktober 1979, pp. 1496-1499; US-A-4 251 741), dessen Sekundärseite mit der Ausgangsröhre des Senders verbunden ist, wobei jedes Schaltmittel so ausgelegt ist, daß es Simultan-Stromimpulse auf die Primärseite schaltet, um einen zusätzlichen Effekt zu erzeugen, der einen einzigen Hochspannungsimpuls am Ausgang der Transformator-Sekundärseite ergibt. Eine ähnliche Anordnung (US-A-3 163 782) benutzt eine separate Wicklung für jedes Impulsformungs-Netz und die Anmelder sind nur mit einer solchen Anordnung mit mehr als einer Primärwicklung befaßt, da sich dadurch größere Flexibilität im Falle bestimmter Versagensarten ergibt.
• Die bekannten Anordnungen beseitigen die Verwendung der von vornherein unzuverlässigen Vakuumröhren. Obwohl jedoch die Festkörper-Schaltermittel zuverlässiger sind, wird im Falle eines Versagens eines der Schaltermittel, z. B. durch Kurzschluß, der gesamte Modulator seinen Betrieb einstellen.
• Entsprechend der Erfindung besitzt jede Primärwicklung eine zugeordnete Isolationseinrichtung, die angeordnet ist, in dem Falle eines Versagens des zugeordneten Schaltermittels die Primärwicklung von dem zugeordneten Festkörper-Schaltermittel zu isolieren.
• Mit dieser Anordnung beeinflußt eine Fehlfunktion eines Schaltermittels nicht den zufriedenstellenden Betrieb der anderen, und der Sender wird seinen Betrieb fortsetzen.
• Bevorzugterweise sollte das Versagen eines Schaltergeräts die Leistungsabgabe des Senders überhaupt nicht beeinflussen, so daß der Spannungserhöhungs-Transformator eine oder mehrere zusätzliche Primärwicklung(en) und zugeordnete(s) Festkörper-Schaltergerät(e) besitzen kann, die im Normalfall nicht verwendet werden, die jedoch benutzt werden, um Primärwicklungen und zugehörige Festkörper-Schaltergeräte im Versagensfall von Schaltgeräten zu ersetzen.
• Vorteilhafterweise umfaßt jedes Schaltermittel parallel geschaltete Geräte, die ausgelegt sind, simultan geschaltet zu werden. Die Verwendung einer Parallelschaltung von Festkörper-Schaltergeräten ermöglicht die Erzeugung eines sehr hohen Stromimpulses, wodurch die erforderliche Leistung trotz der begrenzten Spannungsbetriebs-Fähigkeiten der Festkörper-Schaltergeräte zugeführt wird.
• Mit dem Erzielen eines Impulses der erforderlichen Leistung führt der Transformator die Erzeugung der erforderlichen Spannung durch. Die Anordnung der Erfindung führt auch zu einigen unerwarteten Vorteilen. Da die Verwendung von Halbleiter-Bauelementen es erforderlich macht, den Schalterbetrieb bei Niederspannung durchzuführen, wird die Notwendigkeit für Hochspannungs-Komponenten mit deren begleitenden Nachteilen beseitigt. Auch kann die Niederspanungs-Schaltung kompakter und mit geringerem Gewicht aufgebaut werden, was sehr wichtig ist, insbesondere für Schiffs- oder Luftfahrzeug-Radargeräte.
• Eine Steuerelektrode jedes Schalterelements ist vorzugsweise mit einem Spannungsbegrenzungs-Gerät verbunden, das verhindert, daß die Spannung der Steuerelektrode einen bestimmten Wert überschreitet. Dieses Spannungsbegrenzungs-Gerät ist von besonderem Vorteil, wenn, wie bevorzugt, die Schaltergeräte Feldeffekt-Transistoren (FET) sind. Das kommt daher, daß ein abnormal hoher dv/dt-Wert, der über den FET angelegt wird, eine erhöhte Spannung an der Steuerelektrode induzieren kann, wodurch sich ein sehr hoher Stromdurchgang ergibt, der möglicherweise den FET beschädigt. Diese Situation kann auftreten, wenn, wie manchmal der Fall, die Ausgangsröhre einen Lichtbogen bildet. Wenn andere Transistoren als FET benutzt werden, können sie so angeordnet werden, daß sie in einen Strombegrenzungs-Betrieb eintreten, wenn eine Lichtbogen-Bildung an der Ausgangsröhre auftritt.
• Zwei Arten, mit denen die Erfindung ausgeführt werden kann, werden nun beispielsweise mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
• Fig. 1 drei Impulsgeneratoren (jeweils erfindungsgemäß und mit Benutzung von FET-Schalterbauelementen aufgebaut, wobei die starken Linien einen Kreis niedriger Induktanz bezeichnen) darstellt, wobei die drei Impulsgeneratoren über einen Transformator mit einer die Ausgangsstufe eines Radarsenders bildenden Mikrowellenröhre verbunden sind; und
• Fig. 2 einen gleichartigen Impulsgenerator darstellt unter Benutzung von Transistoren als Schalter, wobei die starken Linien wiederum einen Kreis niedriger Induktanz bezeichnen.
• Fig. 1 zeigt drei Impulsgeneratoren 1, die jeweils erfindungsgemäß aufgebaut und mit jeweiligen Primärwicklungen 2 eines Transformators 3 verbunden sind. Die Impulsgeneratoren 1 werden von einer gemeinsamen Stromversorgung 4 gespeist und erhalten die gleichen Triggersignale an Leitung 5. Die Sekundärwicklung 7 des Transformators ist mit einem Mikrowellen-Generator in Form einer Röhre 8 verbunden. Nur ein Impulsgenerator 1 ist im einzelnen dargestellt, da sie alle identisch aufgebaut sind, und dieser eine wird nun beschrieben.
• In Fig. 1 sind die FET-Schalter 9, 10 und 11 parallel in einer Reihenschaltung angeschlossen, welche einen Kondensator c und eine Primärwicklung 2 des Spannungserhöhungs-Transformators 3 enthält. Ein Steuerimpuls an Leitung 5 ist in Fig. 1 dargestellt und tritt durch einen Inverter 12 hindurch. Der sich ergebende invertierte Impuls schaltet einen P-FET 13 an, der wiederum die FETs 9, 10 und 11 über einen Strombegrenzungs-Widerstand R1 anschaltet. In der Praxis können viel mehr FETs als die drei dargestellten enthalten sein; zur gleichen Zeit, da der P-FET 13 angeschaltet wird, wird der N-FET 14 abgeschaltet, so daß der Impuls vom FET 13 die FETs 9, 10 und 11 anschalten kann.
• Wenn die Spannung an Leitung 5 bei Null ist, d. h. zwischen den Impulsen, ist der P-FET 13 ausgeschaltet und der N-FET 14 eingeschaltet, wodurch die Steuerelektroden der FETs 9, 10 und 11 durch den Widerstand R2 mit Null Volt verbunden sind. Das läßt die FETs 9, 10 und 11 am Ende jedes Impulses rasch abschalten und verhindert ein ungewolltes Triggern zwischen den Impulsen.
• Wenn die FET-Schalter 9, 10 und 11 angeschaltet sind, wird der Kondensator 4 über die Primärwicklung des Transformators gelegt und erzeugt dadurch eine hohe Spannung an dessen Sekundärwicklung, der die Ausgangsröhre des Senders ansteuert. Der Kondensator C wird während der Radar-Zwischenpulszeit durch die Stromversorgung 4 wieder "aufgefüllt".
• Es ist zu bemerken, daß dieser Modulator nur einen Ansteuerimpuls benötigt, da der invertierende Verstärker 14 automatisch während der Impulsdauer abgeschaltet und der nichtinvertierende Verstärker 13 während der Zwischenimpulszeit angeschaltet wird.
• Es ist ein Energieableitungs-Nebenschlußwiderstand 15 enthalten, um in dem Kondensator c gespeicherte Energie abzuleiten. Dieser wird entweder von einem externen Signal oder durch ein Signal von einem Fehlzählerkreis getriggert, der dazu eine bestimmte Anzahl von beispielsweise acht Impulsgenerator-Kurzschlußstrom-Impulsen vor dem Schalten zuläßt. Der Nebenschluß-Widerstand ergibt keine Zwischenspeicherung, so daß er aktiv ein- und ausgeschaltet werden kann.
• Ein Begrenzer- und Spannungsklemmkreis 16 ist enthalten, um sicherzustellen, daß die Spannung über den FETs einen sicheren Wert nicht überschreitet und die Abschalt-dv/dt den Nennwert für den FET-Schalter nicht übersteigt.
• Bei Auftreten eines ungewöhnlich hohen Wertes für dv/dt über den FETs kann sich eine Erhöhung der Steuerelektroden-Spannung ergeben, die zu einem durch die FET fließenden und sie beschädigenden hohen Strom führt. Diese Situation wird durch eine Zener-Diode ZD verhindert, welche ein Überschreiten eines bestimmten Spannungswertes an der Steuerelektrode verhindert.
• Ein anderer Impulsgenerator zur Verwendung statt des bei 1 in Fig. 1 gezeigten ist in Fig. 2 dargestellt, wo gleichartige Bezugszeichen für gleiche Komponenten verwendet werden. Bei dieser Ausführung sind eine Anzahl bipolarer Transistorschalter 17a bis 17n parallel verbunden. Sie leiten so lange wie ein "Ein"-Signal an der Leitung 17 vorhanden ist, wodurch eine Niederspannungs-Versorgung 18 mit positivem Spannungswert über einen Schalter 19 und einer Sicherung 20 an die Basisanschlüsse der Transistoren gelegt wird. Um die Transistoren abzuschalten, wird das "Ein"-Signal abgenommen und ein "Aus"-Signal an Klemme 21 angelegt, um den Schalter 22 anzusteuern und dadurch die Transistor-Basisanschlüsse mit der Null-Volt-Schiene 23 zu verbinden.
• Die Transistoren werden außerhalb des Sättigungsbereichs betrieben, um eine Löcherspeicherung gering zu halten, die sich als eine Verzögerung des Impulsabfalls zeigen würde, wodurch sich längere Impulse als erforderlich ergäben.
• Ein Bauteilversagen läßt dann entweder die Hochspannungs-Sicherung 24 oder die Niederspannungs-Sicherung 20 ansprechen. Die eingehenden Signalleitungen werden abgetrennt, falls die Niederspannungs-Sicherung öffnet. Deshalb bleiben in einem solchen vorgeschlagenen System, wo eine Anzahl von identischen Kreisen benutzt werden, um eine einzige Senderöhre über verschiedene Primärkreise wie den bei 1 gezeigten des Transformators 3 zu beaufschlagen, beim Versagen eines Kreises die restlichen Kreise unbeeinflußt und setzen ihren Betrieb fort.
• Falls Kurzschluß oder Funkenentladung auftritt, werden die Transistorschalter geschützt durch Eintritt in einen Strombegrenzungsbetrieb. Die Stromverstärkung ist begrenzt durch den Wert der Emitter-Widerstände 26a bis 26n, da eine konstante Basisansteuerung benutzt wird und die Transistoren einen kleinen Stromzuwachs während einer Zeit einiger Impulse tolerieren können, was einem Fehlimpuls-Detektor 27 Zeit gewährt, eine an Klemme 28 angeschlossene (nicht dargestellte) "Brechstangen"-Schaltung zu triggern. Die "Brechstangen"-Schaltung ist in diesem Falle ein langsam wirkender Energieableiter, der den Kondensator C über die Diode 29 entlädt. Die Diode 30 schützt die Sicherung 24 gegen den "Brechstangen" -Strom.
• Die Dioden 31a bis 31n dienen dazu, jeden Impulsgenerator vom Impuls-Transformator 6 zu isolieren, sollte eines oder mehrere der Ausgangsschalter-Geräte versagen. Dadurch beeinflußt das Versagen eines Impulsgenerators nicht in schädlicher Weise den Betrieb des Systems.
• Bei einer abgewandelten Anordnung ist ein zusätzliches Reserve-Schaltergerät enthalten und sind Mittel vorgesehen, um einen Fehler in einem der anderen Schaltergeräte zu erfassen und das Reserve-Gerät in Abhängigkeit von einem solchen Erfassen in Betrieb zu schalten. Die Erfassung des Fehlers kann einfach durch das Erfassen einer Hochspannung an den Transistoren geschehen. Wenn ein solcher Erfassungsvorgang eintritt, sendet eine zentrale Steuereinheit einen Befehl, den fehlerhaften Modul automatisch abzuschalten, während ein Ersatz an seine Stelle geschaltet wird. Der Ersatzmodul wird mit einem zusätzlichen Primärkreis des Transformators verbunden, der normalerweise nicht in Gebrauch ist.

Claims (6)

1. Modulator für einen Radarsender, welcher umfaßt einen Spannungs-Aufwärtstransformator (3) mit einer Vielzahl von Primärwicklungen (2) und eine gleiche Anzahl von Festkörper-Schaltermitteln (9, 10, 11, 17a-n), die jeweils angeordnet sind, simultane Stromimpulse zu einer zugeordneten Primärwicklung zu schalten, um einen additiven Effekt zu erzeugen, der einen einzigen Hochspannungsimpuls am Ausgang einer an der Ausgangsröhre des Senders angeschlossenen Sekundärwicklung (7) des Transformators ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß jede Primärwicklung eine ihr zugeordnete Isolierungs-Einrichtung besitzt, die zum Isolieren der Primärwicklung von ihrem zugeordneten Festkörper-Schaltermittel bei einem Versagen des zugehörigen Schaltermittels ausgelegt ist.

2. Modulator nach Anspruch 1, bei dem der Spannungs-Aufwärtstransformator eine oder mehrere zusätzliche Primärwicklungen und zugehörige Festkörper-Schaltereinrichtungen besitzt, die normalerweise nicht verwendet, jedoch zum Ersetzen von Primärwicklungen und zugeordneten Festkörper-Schaltereinrichtungen benutzt werden, falls die Schaltereinrichtungen versagen.

3. Modulator nach,Anspruch 1 oder 2, bei dem jedes Festkörper Schaltermittel umfaßt eine Vielzahl von Festkörperschalter-Bauelementen (9-11, 17a-n), die parallel angeschlossen und zum gleichzeitigen Schalten ausgelegt sind.

4. Modulator nach Anspruch 3, bei dem eine Steuerelektrode der Schalterbauelemente an ein Spannungsbegrenzungs-Bauelement angeschlossen ist, das seine Spannung daran hindert, bei auftretender Bogenbildung in der Ausgangsröhre oder bei Kurzschluß der Transformator-Primärwicklung einen kritischen Wert zu überschreiten.

5. Modulator nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Schalter- Bauelemente (9-11) Feldeffekt-Transistoren sind.

6. Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Festkörper-Schaltermittel ausgelegt sind, im Gebrauch ein- und ausgeschaltet werden, um die Form des zu der jeweiligen Primärwicklung geschalteten Stromimpulses zu bestimmen.