DE3607046A1

DE3607046A1 - Hochspannungs-festkoerperschalteranordnung

Info

Publication number: DE3607046A1
Application number: DE19863607046
Authority: DE
Inventors: George M. Marlboro Mass. Conrad; Kenneth M. Burlington Mass. Smalley
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1985-03-04
Filing date: 1986-03-04
Publication date: 1986-12-04
Also published as: AU5371786A; AU588020B2; GB2172161B; FR2578368A1; GB2172161A; CA1274581A; GB8604608D0; JPS61205020A; FR2578368B1

Description

360704S

Patentanvr'äl te
Dorner + Hufnagel Ortnitstraße 20 8000 München 8l

München, den k. März I986 Anvaltsakteuz.: 2? - Pat. 38O

Raytheon Company, lAl Spring Street, Lexington, MA O2173, Vereinigte Staaten von Amerika

Hochspannungs-Festkörperschalteranordnung

Die Erfindung betrifft Hochspannungs-Festkörperschalteranordnungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, die insbesondere als Modulatoren für Röhren mit impulsgesteuerter Kathode zur Verstärkung von Hochfrequenzsignalen verwendet werden können.

Bekanntlich besteht vielfach die Notwendigkeit, wie beispielsweise bei Radarsendern, verstärkte Hochfrequenzimpulse zu erzeugen. Bei einer dieser bekannten Lösungen wird ein impulsmoduliertes Signal einem Modulatorschaltkreis zugeführt, der abhängig von dem Modulationssignal eine Spannungsversorgungsquelle an die Kathoden-Anodenstrecke einer Querfeldröhre wahlweise an- und abkoppelt. Eine solche Querfeldröhre kann aus einem Magnetron, einem Klystron oder einer Querfeldverstärkerröhre bestehen. In der Regel weist der Modulatorschaltkreis eine Hoch-

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-ζ -6-

spannungsschalterröhre auf, deren Anode mit der Kathode der Hochfrequenzröhre in Reihe geschaltet ist, wobei die Anode der Hochfrequenzröhre geerdet ist, während die Kathode der Schalterröhre mit dem negativen Anschluß einer Hochspannungsversorgungsquelle verbunden ist, deren positiver Anschluß ebenfalls geerdet ist. Ein dem Eingang der Hochfrequenzröhre zugeführtes Hochfrequenzsignal wird daher von dieser verstärkt und dem Ausgang zugeführt, wenn die Hochspannungsversorgungsquelle durch den Modulatorschaltkreis an die Hochfrequenzröhre angekoppelt ist. Umgekehrt bleibt das Eingangshochfrequenzsignal vom Ausgang der Hochfrequenzröhre abgekoppelt, wenn der Modulatorschaltkreis die Hochspannungsversorgungsquelle von der Hochfrequenzröhre abgekoppelt hat. Auf diese Weise führen dem Modulatorschaltkreis zugeführte Steuerimpulse zu verstärkten Hochfrequenzimpulsen am Ausgang der Hochfrequenzröhre. Diese Hochfrequenzimpulse haben dabei dieselbe Impulsbreite, dasselbe Tastverhältnis und dieselbe Impulsfolgefrequenz wie die dem Impulsmodulatorschaltkreis zugeführten Steuerimpulse.

Derartige Impulsmodulatoren haben sich zwar für manche Anwendungen als zweckmäßig erwiesen, jedoch ist die Betriebslebensdauer der in solchen Modulatorschaltkreisen in der Regel verwendeten Schalterröhren im Vergleich zu der der Hochfrequenzröhren relativ kurz. Auf diese Schalterröhren entfällt daher ein wesentlicher Anteil des Instandhaltungsaufwandes hinsichtlich Material und Arbeitsstunden für den Sender. Weiterhin entfällt auf die für solche Schalterröhren benötigte Heizleistung ein wesentlicher Teil der Primärleistung und vermindert den Gesamtwirkungsgrad des Senders, da unter anderem die Schalterröhren wegen des hohen Anodenwiderstandes große Spannungsabfälle und eine Vielzahl von Hochspannungs-

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quellen für die Vorspannung benötigen. Außerdem sind derartige Röhren in einer harten Stoßen und Erschütterungen ausgesetzten Umgebung sehr störanfällig. Insgesamt haben sich daher für solche Schalterröhren sehr niedrige mittlere störfreie Betriebszeiten zwischen den Ausfällen (MTBF) ergeben.

Gemäß einer anderen Lösung hat man daher vorgeschlagen, anstelle der Schalterröhre eine Festkörpereinrichtung, wie zum Beispiel einen Transistor, zu verwenden. Anordnungen mit nur einem einzigen Transistor sind jedoch in Verbindung mit Hochspannungen praktisch nicht ausführbar, da die gesamte Spannung der Spannungsversorgungsquelle an dem Tranisstor abfällt, wenn sich dieser im nichtleitenden Zustand befindet. Ein Ausweg bietet in diesem Falle eine Reihe von in Serie wirksamen Transistoren zwischen der Hochspannungsversorgungsquelle und dem Verbraucher. Bei einer derartigen Anordnung müssen aber die Treibersignale für jeden einzelnen Transistor jeweils auf ein unterschiedliches Hochspannungspotential abgestimmt werden. Für die Bereitstellung derartiger Treibersignale werden normalerweise ein Stufentransformator oder Widerstandsketten benötigt, um jeweils ein in geeigneter Weise vorgespanntes Steuersignal für jeden einzelnen der in Reihe geschalteten Transistoren bereitzustellen. Wpgen der durch den Stufentransformator oder die Widerstandsketten bedingten Resonanzen, Zeitverzögerungen und Leistungsverluste wird jedoch die Geneigtheit zum Einsatz einer solchen Anordnung verringert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine für Hochspannungen geeignete Festkörperschalteranordnung zu schaffen, die die Bereitstellung der benötigten Treibersignale ohne Verwendung eines Stufentransformators oder

νοη Widerstandsketten und ohne die damit verbundenen Nachteile ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Danach werden mehrere in Reihe wirksame Schaltermodule verwendet, die gleichfalls jeweils einen Schalttransistor aufweisen, so daß sich die Spannung der Spannungsversorgungsquelle auf die einzelnen Schaltermodule aufteilt, wenn die Spannungsversorgungsquelle vom Verbraucher abgekoppelt ist. Die zur Umsteuerung der Schalttransistoren in jedem Schaltermodul vorgesehene und vom Steuersignal beeinflußbare Treiberschaltkreisanordnung liefert dabei ein vom Steuersignal galvanisch unabhängiges Treibersignal, das sich daher auf das jeweilige Bezugspotential des Schaltermoduls selbst beziehen kann, so daß ein Stufentransformator oder Widerstandsketten umgangen werden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das elektrische Steuersignal in ein Lichtsignal, zum Beispiel durch eine Leuchtdiode, umgewandelt und von einem optoelektronischen Schaltkreisbaustein der Treiberschaltkreisanordnung wieder in ein elektrisches Steuersignal umgewandelt.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist jedes Schaltermodul eine Energiespeichereinrichtung, vorzugsweise einen Kondensator, als Stromversorgungseinrichtung auf, die mit der Spannungsversorgungsquelle für den Verbraucher zum Energiespeichern koppelbar ist, wenn die Spannungsversorgungsquelle vom Verbraucher abgekoppelt ist, und die die Treiberschaltkreisanordnung speist, wenn die Spannungsversorgungsquelle an den Verbraucher angekoppelt ist.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung sind in jedem Schaltermodul parallel zum Schalttransistor Einrichtungen zur Bildung eines Kurzschlußweges vorgesehen, die wirksam werden, wenn die Festkörperschalteranordnung die Spannungsversorgungsquelle an den Verbraucher angekoppelt hat und wenn in dem Schaltermodul ein Fehler auf tritt und dieses ausfällt, so daß die normalerweise an dem fehlerbehafteten Schaltermodul abfallende Spannung auf die übrigen, nicht fehlerbehafteten Schaltermdule verteilt wird. Wegen der Anzahl der verwendeten Schalter module vergrößert der Ausfall eines Schaltermoduls den Spannungsabfall an den übrigen Schaltermodulen nur begrenzt um den Spannungsabfall an dem ausgefallenen Schal termodul. Diese Erhöhung erfolgt außerdem verteilt auf alle übrigen Schaltermodule, so daß die Betriebsfähigkeit der Schalttransistoren in den übrigen Schaltermodulen gesichert bleibt.

Einzelheiten der Erfindung seien nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles dargestellt, deren einzige Figur ein schematisches Blockschaltbild eines Radarsystems mit einem Impulsmodulator gemäß der Erfindung zeigt.

Bei dem gewählten Beispiel handelt es sich um ein kohärentes Pulsdopplerradarsystem 10, das aus einer Radarantenne 12, einer Sende-Empfangsweiche 14, einem Radarempfänger 16, einem Radarsender 18, einem Hochfrequenzoszillator 20, einer Synchronisiereinrichtung 24 und einem Hauptimpulsgeber 28 besteht, wobei alle gezeigten Einrichtungen in herkömmlicher Weise miteinander in Verbindung stehend angeordnet sind.

Während des Sendezustandes sendet die Synchronisiereinrichtung 24 Signale an den Hauptimpulsgeber 28, und dem zufolge wird ein vom Oszillator 20 erzeugtes und über

einen üblichen Richtungskoppler 22 an den Sender 18 angekoppeltes Signal von dem Sender verstärkt und impulsmoduliert. Dieses verstärkte und impulsmodulierte Hochfrequenzsignal wird dann zur Aussendung über die Sende-Empfangsweiche 14 an die Antenne 12 weitergeleitet.

Während des alternierenden Empfangszustandes werden Teile des ausgesendeten und von einem Gegenstand innerhalb des Strahlbereiches der Antenne 12 reflektierten Energiestrahles von der Antenne 12 empfangen und über die Sende-Empfangsweiche 14 zum Radarempfänger weitergeleitet, wo sie mit von den Signalen des Oszillators 20 abgeleiteten Signalen überlagert und in Videosignale umgewandelt werden. Diese Videosignale werden dann abhängig von Signalen, die dem Empfänger 20 von der Synchronisiereinrichtung 24 über das Leitungssystem zugeführt worden sind, in Entfernungselemente zerlegt. Während die Antenne 12, die Sende-Empfangsweiche 14, der Empfänger 16, der Oszillator 20, die Synchronisiereinrichtung 24 und der Hauptimpulsgeber 28 herkömmlichen Einrichtungen entsprechen, sei angemerkt, daB der Sender 18 aus einer üblichen Hochfrequenzverstärkerröhre mit impulsgesteuerter Kathode, im vorliegenden Falle einem Querfeldverstärker, besteht, der durch einen Impulsmodulator 32 gemäß der Erfindung gesteuert wird.

Wie in der Zeichnung dargestellt, weist der Querfeldverstärker 30 eine an Erde angekoppelte Anode 34, eine an den Modulator 32 angekoppelte Kathode 36, einen über den Richtungskoppler 22 an den Oszillator 20 angekoppelten Eingangsanschluß 38 und einen an die Sende-Empfangsweiche 14 angekoppelten Ausgangsanschluß 40 auf. Außerdem sind die Anode 34 und die Kathode 36 in herkömmlicher Weise über einen Impulsausläufe unter-

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drückenden Widerstand 33 miteinander gekoppelt.

Der Impulsmodulator 32 besteht aus einer Vielzahl von im vorliegenden Falle N identisch aufgebauten Schaltermodulen 42, bis 42... die in Reihe zwischen

ι N

die Kathode 36 des Querfeldverstärkers 30 und einer Hochspannungsversorgungsquelle 44 geschaltet sind, und von denen eines der Schaltermodule, nämlich 42^₁, mit seinen Schaltungseinzelheiten gezeigt ist. Bei der Hochspannungsversorgungsquelle 44 handelt es sich um eine übliche Versorgungsquelle, die eine Spannung von der Größe V liefert, wobei der Minuspol an dem negativen Anschluß 46 liegt und der Pluspol mit Erde verbunden ist. Der Impulsmodulator 32 weist des weiteren eine Reihe von N lichtemittierenden Dioden 48^ bis 48_N auf, deren Ausgänge jeweils auf einen Eingang eines zuehörigen Schaltermoduls einwirken. Das Eingangssignal für die lichtemittierenden Dioden 48, bis 48,, ist ein vom Hauptimpulsgeber 28 über die Leitung 50 geliefertes gemeinsames Signal als Steuersignal.

Wenn während des aktiven Betriebszustandes ein verstärkter Hochfrequenzimpuls ausgesendet werden soll, dann schaltet der Hauptimpulsgeber 28 die Dioden 48, bis 48.. impulsweise in den lichtemittierenden Zustand. Die Lichtimpulse aller Dioden 48, bis 48.. werden von den Schaltermodulen 42, bis 42.. empfangen, so daß diese die negative Anschlußklemme 46 der Spannungsversorgungsquelle 44 mit der Kathode 36 des Querfeldverstärkers 30 verbinden, um so den Verstärker 30 mit Spannung zu versorgen, damit er das vom Oszillator 20 zugeführte Hochfrequenzsignal verstärken kann. Wenn dagegen umgekehrt die Schaltermodule 42, bis 42., von den Dioden 48, bis 48 nicht mit Lichtstrahlen gespeist

werden, dann koppeln die Schaltermodule 42, bis 41,. die Spannungsversorgungsquelle 44 von der Kathode 36 des Verstärkers 30 ab, und das vom Oszillator 20 zugeführte Hochfrequenzsignal wird nicht an den Ausgang des Verstärkers 30 weitergeleitet. Jedesmal also, wenn ein Hochfrequenzenergieimpuls ausgesendet werden soll, wird gleichzeitig ein entsprechender Lichtimpuls von jeder der Dioden 48, bis 48.. erzeugt, auf den die einzelnen Schaltermodule 42, bis 42.. elektrisch rea-

1 N gieren, so daß die Schaltermodule 42, bis 42„ als Antwort auf den jeweiligen Lichtimpuls gleichzeitig wirksam werden, um die Arbeitsweise des Verstärkers 30 impulsmäßig zu steuern.

Bezugnehmend auf die Schaltungseinzelheiten eines der Schaltermodule 42, bis 42.., nämlich des Schaltermoduls ⁴²N-I' ^se* zunächst angemerkt, daß das Schaltermodul 42_Ν_^ zwei Anschlußklemmen 52_Ν_^ und 54_N_, aufweist, von denen die Anschlußklemme 52., , mit der Anschluß-

N-I klemme 54.. ₂ des Schaltermoduls 42^₂ - nämlich dem direkt in Reihe folgenden Schaltermodul - und die Anschlußklemme 54., , des Schaltermoduls 42.., mit der Anschlußklemme 52.. des Schaltermoduls 42.. - das ist

N N

das andere der direkt in Reihe geschalteten Schaltermodule - verbunden ist. Weiterhin sei angemerkt, daß die Anschlußklemme 52, des ersten Schaltermoduls 42, der insgesamt N in Reihe geschalteten Schaltermodule 42,

bis 42.. mit der Kathode 36 des Verstärkers 30 ver-N

bunden ist, während die Anschlußklemme 54.. des letzten

Schaltermoduls 42.. der insgesamt N in Reihe geschalteten Schaltermodule 42, bis 42.. mit der negativen Anschlußklemme 46 der Spannungsversorgungsquelle 44 verbunden ist. Wenn daher die Schaltermodule 42, bis 42_N mit Licht von den Dioden 48, bis 48.. beaufschlagt werden, dann werden die Anschlußklemmen 52,, 54, bis

52,., 54., der einzelnen Schaltermodule 42, bis 42_N elektrisch zusammen wirksam geschaltet, nämlich durch eine relativ niedrige Impedanz, während in Abwesenheit der steuernden Lichtstrahlen die Anschlußklemmen 52,, 54_χ bis 52_N, 54_N der Schaltermodule 42^^ bis 42_N elektrisch voneinander entkoppelt werden, oder genauer gesagt, über eine sehr hohe Impedanz miteinander gekoppelt sind, was in etwa einem offenen Stromkreis gleichkommt.

Bezugnehmend auf das im einzelnen dargestellte Schaltermodul 42_N , sei zunächst angemerkt, daß dieser einen üblichen Faseroptikempfänger oder auch optoelektronischen Empfänger 56 aufweist, wie er beispielsweise von der Fa. Hewlett Packard, PaIo Alto, California unter der Bezeichnung HFBR 2202 vertrieben wird. Der optoelektronische Empfänger 56 ist mit seinem Eingang 58 auf die lichtemittierende Diode 48^ ^ ausgerichtet, so daß er von dieser Licht empfangen kann, und er wird mit einer Spannung - hier 10 Volt - gespeist, die über die Anschlüsse 60 und 62 wirksam ist, was im einzelnen noch beschrieben wird. Zunächst mag der Hinweis genügen, daß bei ausreichender Spannung an den Anschlüssen 60 und 62 auf der Leitung 64 ein negativer Impuls durch den optoelektronischen Empfänger 56 erzeugt wird, wenn der Empfänger 56 mit einem Lichtimpuls von der Diode 48., , beaufschlagt wird. Das elektrische Signal auf der Leitung 64 ist dadurch auf das Potentioal am Anschluß 62 bezogen, so daß in Abwesenheit eines Lichtimpulses das Signal auf der Leitung 64 im Vergleich zum Potential am Anschluß 62 ein sehr hohes positives Potential aufweist, während bei einwirkenden Lichtimpulsen das Signal auf der Leitung negativ wird, d.h. sein Potential nähert sich dem Potential am Anschluß 62.

Das Signal auf der Leitung 64 wird parallel zwei identisch aufgebauten, invertierend arbeitenden Treiberverstärkern, nämlich den Verstärkern 66a und 66b zugeführt. Die Umkehrverstärker 66a und 66b werden über die Anschlußklemmen 68a und 70a am Umkehrverstärker 66a und über die Anschlußklemmen 68b und 70b am Umkehrverstärker 66b mit Spannung versorgt. Die Umkehrverstärker wandeln so den vom optoelektronischen Empfän ger 56 in Abhängigkeit von einem Lichtimpuls der Diode 48., , erzeugten negativen Impuls in einen positiven Impuls um. Die von den Umkehrverstärkern 66a und 66b erzeugten Signale sind daher auf die Spannung an den Anschlüssen 70a bzw. 70b bezogen, so daß bei einem negativen Impuls auf der Leitung 64 das Potential der Ausgangssignale vom Bezugspotential in der Nähe des Potentials an den Anschlüssen 70a und 70b auf ein wesentlich positiveres Potential ansteigt, das in der Nähe des der Anschlüsse 68a und 68b liegt.

Die von den Umkehrverstärkern 66a und 66b erzeugten positiven Impulse werden jeweils der Gate-Elektrode (G) eines der zwei η-Kanal Metalloxydsilizium Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp 72a bzw. 72b über Widerstände 74a bzw. 74b zugeführt. Die Spannung des den Gate-Elektroden G zugeführten Steuersignals schwankt also um den Betrag Δ V unabhängig von der Spannung an der Anschlußklemme 54., ,. Die Source-Elektroden S - und die Substratflächen - der Feldeffekttransistoren 72a und 72b sind mit der Anschlußklemme 54., , über Widerstände 76a bzw. 76b verbunden, während die Drain-Elektroden D der Feldeffekttransistoren 72a und 72b mit der Anschlußklemme 52., , verbunden sind.

N-I

Weiterhin sind die Steuer- oder Gate-Elektroden G der Feldeffekttransistoren 72a und 72b mit den Anschluß-

klemmen 52., _Ί über Widerstände 78a bzw. 78b und die N-I

Kondensatoren C„ bzw. C_ß verbunden. Weiterhin ist eine Zenerdiode 80 mit ihrer Anode (A) an die Anschlußklemme 54., , und mit ihrer Kathode C an die Anschlußklem-N-I

me 52., , angeschlossen. Mit der Anschlußklemme 52., , ist außerdem die Anode einer Diode 82 verbunden, deren Kathode an den Eingang eines üblichen Gleichspannungswandlers 84 angeschlossen ist. Die an den Ausgangsklemmen 86 und 88 des Gleichspannungswandlers 84 erzeugte Spannung speist parallel den optoelektronischen Empfänger 56 über dessen Anschlüsse 60 und 62, den Umkehrverstärker 66a über die Anschlüsse 68a und 70a sowie den Umkehrverstärker 66b über die Anschlüsse 68b und 70b. Schließlich ist zur Vervollständigung des Schaltermoduls 42.. , ein Speicherkondensator C_ zwischen den Anschlußklemmen 86 und 88 des Gleichspannungswandlers 84 vorgesehen.

Wenn während des aktiven Betriebszustandes von jeder Lichtdiode 48, bis 48_N ein Lichtimpuls abgegeben wird, erzeugt der optoelektronische Empfänger 56 einen entsprechenden negativ abfallenden Impuls auf der Leitung 64. Dieser negative Impuls wird durch die Umkehrverstärker 66a und 66b in einen entsprechenden positiv ansteigenden Impuls umgewandelt. Diese positiven Impulse treiben die Feldeffekttransistoren 72a und 72b in einen leitenden Zustand, d.h. der Widerstand zwischen der Source- und Drain-Elektrode S und D wird relativ klein. Die von den Umkehrverstärkern 66a und 66b erzeugten Treiberspannungen beziehen sich selbständig auf das Potential an der Anschlußklemme 54., , . Außerdem

N-I

wird die Treiberspannung für die Gate-Elektrode G beider Feldeffekttransistoren 72a und 72b (das ist die Spannung an den Gate-Elektroden im Vergleich zur Anschlußklemme 54.,,) in einer noch zu beschreibenden

Weise im Bereich von IO mV eingestellt, um einen Konstantstrom von im vorliegenden Falle 12 A durch jeden der Transistoren 72a und 72b zu erzeugen, was insgesamt 24 A für den ordnungsgemäßen Betrieb des Querfeldverstärkers 30 ergibt.

Der Betrieb des Querfeldverstärkers 30 erfordert insgesamt 14 KV und 24 A, um eine Verstärkung des am Eingang 38 zugeführten Hochfrequenzsignals herbeizuführen. Da durch jedes Schaltermodul 24 A fließen, sind in jedem Schaltermodul zwei parallel geschaltete Feldeffekttransistoren 72a und 72b vorgesehen, von denen jeder lediglich 12 A liefert. Im vorliegenden Falle liefert die Spannungsversorgungsquelle 44 eine Spannung von 18 KV. Die Reihenschaltung der Schaltermodule 42, bis 42., verursacht einen gesamten Spannungsabfall von 4 KV, so daß bei insgesamt N = 80 Schaltermodulen an jedem der Schaltermodule 42^ bis 42., ein Spannungsabfall von 50 V entsteht. Dabei liegen die Anschlußklemmen 54, bis 54.. der 80 Schaltermodule

ι N

42, bis 42., jeweils an einem unterschiedlichen Potential Vr./ v, das sich nach der Gleichung ^V54(n) ⁼ -¹⁸⁰⁰⁰ + 50(N-n) mit N = 80 ergibt, wobei η die laufende Nummer des jeweiligen Schaltermoduls angibt. Für das Schaltermodul 42., , entsprechend der Nummer η = N - 1 ergibt sich daher an der AnschluO-klemme 54.,, ein Spannungspotential von ^V54(N-1) ⁼ "^{18D0 + 50 (N} " (N-¹^ = - ^{17950 v}·

Wie bereits vorangehend erwähnt, beziehen sich die vom optoelektronischen Empfänger 56 und von den Umkehrverstärkern 66a und 66b erzeugten Impulse auf das Spannungspotential VcW_n ,x, wie auch die Source-Elektroden S der Feldeffekttransistoren 72a und 72b. Bezogen auf das Schaltermodul 42 , liegt also zwischen den

.. ft.

beiden Anschlußklemmen 52.,, und 54.., eine Spannung von 50 V, wobei das Spannungspotential an der Anschlußklemme 52., , positiver ist als das an der Anschlußklemme 54., , .
5

Sobald die von den Umkehrverstärkern 66a und 66b gelieferten positiven Impulse entfallen, werden die Feldeffekttransistoren 72a und 72b in den nichtleitenden Zustand überführt, so daß ein hoher Widerstand zwischen der Source- und der Drain-Elektrode der Feldeffekttransistoren gegeben ist und die Spannungsversorgungsquelle 44 von dem Querfeldverstärker 30 elektrisch abgekoppelt wird. Wegen der zwischen der Anodenelektrode 34 und der Kathodenelektrode 36 des Verstärkers 30 bestehenden Kapazität wird der bestehende Spannungsabfall von 14 KV zunächst aufrecht erhalten, wenn der Verstärker 30 von der Spannungsversorgungsquelle 44 abgetrennt wird. Diese Spannung wird aber in Folge des Widerstandes 33, der im vorliegenden Falle einen Wert von 20 KQ hat, abgebaut, so daß das anfänglich auf -14 KV liegende Spannungspotential an der Kathode des Verstärkers 30 gegenüber Erde in kurzer Zeit abgebaut wird. Damit liegt die volle Spannung von 18 KV der Spannungsversorgungsquelle 44 an der Reihenschaltung der 80 Schaltermodule 42, bis 42.. an.

1 N

Wenn sich daher die einzelnen Schaltermodule 42, bis 42.J im nichtleitenden Zustand befinden, dann kann der effektive Widerstand der einzelnen Schaltermodule, das ist zum Beispiel der Widerstand zwischen den Anschlußklemmen 52.. , und 54.. , beim Schaltermodul 42.. , ,

N-I N-I N-I

im wesentlichen dem Eingangswiderstand des Gleichspannungswandlers 86 gleichgesetzt werden, der in der Zeichnung durch einen Phantomwiderstand 87 zwischen 35

Ά*'

der Kathode der Diode 82 und der Anschlußklemme 54.. , des Schaltermoduls 42.. , gestrichelt dargestellt ist. Da der Eingangswiderstand 87 des Gleichspannungswandlers 86 annähernd einen Wert von 50 K hat, wenn die Schaltermodule im nichtleitenden Zustand sind, liegt der Wert des Gesamtwiderstandes zwischen der Kathode des Verstärkers 30 und der Anschlußklemme 46 der Spannungsversorgungsquelle 44 bei annähernd 4 Mfi , wenn alle Schaltermodule nichtleitend sind. Der Gesamtwiderstand von 4 M ist damit 200 mal größer als der Widerstandswert von 20 Kü des Widerstandes 33, so daß die 18 KV der Spannungsversorgungsquelle 44 im wesentlichen gleichmäßig verteilt an den 80 Schaltermodulen 40, bis 4O_n abfallen und zwischen den Anschlußklemmen,

z.B. 52.. und 54.. beim Schaltermodul 42.,, eines jeden NN N

Schaltermodules 250 V abfallen, wobei das Potential an der Anschlußklemme 52., positiver ist als das Potential an der Anschlußklemme 54...

Jedes der Schaltermodule liegt daher wiederum an einem unterschiedlichen Bezugspotential. Die Spannung Vc^z_n) an der Anschlußklemme 54,. , ergibt sich damit nach der Gleichung V₅₄, » = - 18000 + 250 (N-n), so daß die Spanung an der Anschlußklemme 54 _N_, nunmehr V₅^_n1) = - 1800 + 250 (N-(N-I)) = - 17750 V beträgt.

Dabei beziehen sich weiterhin alle Schaltkreiselemente 56, 66a, 66b, 72a, 72b, 80 und 84 in dem Schaltkreismodul auf das Potential an der Anschlußklemme 54., ,. Das

N-I Spannungspotential von 250 V an der Anschlußklemme 52_N_ beansprucht daher die Diode 82 in Vorwärtsrichtung, so daß der Eingang des Gleichspannungswandlers 84 mit dieser Spannung beaufschlagt wird. Dieser wandelt die 250-V-Eingangsspannung in eine 10-V-Ausgangsspannung um, die wiederum das Spannungspotential an der Anschluß-

klemme 54_N , zum Bezugspunkt hat. Diese 10-V-Spannung ist an die Anschlüsse 60, 68a und 68b angekoppelt, so daß der optoelektronische Empfänger 56 und die beiden Umkehrverstärker 66a und 66b dadurch gespeist werden. Weiterhin wird der Speicherkondensator C_ gegenüber der Anschlußklemme 54·,, auf 10 V aufgeladen. Wenn daher die Feldeffekttransistoren 72a und 72b der Schaltermodule 42, bis 42.. leitend sind und die Spannungsversorgungsquelle 44 an den Verstärker 30 angekoppelt ist, dann sperrt die Diode 82 und die 10-V-Spannung des Speicherkondensators C₅ wird an den Anschlüssen 60, 68a und 68b wirksam, um die aktiven Schaltkreisglieder, nämlich den optoelektronischen Empfänger 56 und die beiden Umkehrverstärker 66a und 66b weiterhin zu speisen.

Die beiden Widerstände 76a und 76b dienen zur Stabilisierung von Übergangsleitwertschwankungen bei den Transistoren 72a und 72b und ermöglichen dadurch die richtige Stromverteilung auf die beiden Transistoren. Die Widerstände 78a und 78b dienen in Verbindung mit den in Serie geschalteten Widerständen 74a bzw. 74b zur Rückkopplung, die erforderlich ist, um den einzelnen Schaltermodulen eine niedrige dynamische Impedanz zu geben, die für eine gleichmäßige Verteilung der Spannung auf die einzelnen Schaltermodule notwendig ist.

Nachfolgend seien die Auswirkungen eines Fehlers in einem der Schaltermodule 42,-42.. und damit des Ausfal-

1 N

les eines solchen Schaltermoduls erläutert. Ein solcher Ausfall kann beispielsweise bedingt sein durch eine der Lichtdioden 48, bis 48.,, die die Schaltermodule ansteuern, durch einen optoelektronischen Empfänger 56 in einem dieser Schaltermodule oder durch einen Gleichspannungswandler 84. Wenn dann der Verstärker 30 ein-

- Υ6 -

geschaltet wird, d.h. an die Spannungsversorgungsquelle angekoppelt wird, dann wird die Zenerspannung der Zenerdiode 80 in dem ausgefallenen Schaltermodul überschritten und die dann in Gegenrichtung leitende Zenerdiode leitet den erforderlichen Strom von der Spannungsversorgungsquelle zum Verstärker 30, so daß ein Ausfall des gesamten Impulsmodulators 32 verhindert wird. Die im normalen Betriebszustand an dem fehlerbehafteten Schaltermodul abfallende Spannung von 250 V wird auf die übrigen Module, also die restlichen 79 Schaltermodule verteilt, so daß an diesen eine Spannung von 250 + (250/79) V abfällt. Der zusätzliche Anteil von 250/79 V stellt lediglich einen Bruchteil der normalerweise vorliegenden Spannung von 250 V dar, für die die Transistoren in den einzelnen Schaltermodulen ausgelegt sind.

Die Zenerdiode 80 dient weiterhin dazu, den Spannungsanfall an den einzelnen Schaltermodulen auf beispielsweise 300 V zu begrenzen, falls im Verstärker 30 Lichtbögen auftreten, die wegen der unvermeidbaren Serieninduktivitäten der die Schaltermodule 42, bis 42., miteinander und mit dem Verstärker 30 verbindenden Leiter zu Spannungswellen durch den Impulsmodulator 32 führen können.

Wie bereits erwähnt, ist es zweckmäßig, die Spannung an den Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren 72a und 72b zu regeln. Dies wird durch die Kondensatoren C

bzw. C. erreicht. Wie bereits erwähnt, liegt zwischen den Anschlußklemmen 52, und 54, bis 52.. und 54.. der

l l N N

einzelnen Schaltermodule jeweils eine Spannung von 250 V, wenn die Schaltermodule sich im nichtleitenden Zustand befinden. Beispielsweise liegt daher zwischen den Anschlußklemmen 52., , und 54., , des Schaltermoduls 54., , dann ebenfalls eine Spannung von 250 V. Die Kondensa-

toren C und C. dienen während dieses nichtleitenden Betriebszustandes als Blockkondensatoren und verhindern dadurch einen Leistungsverlust in den Widerständen 74a bzw. 74b. Andererseits laden sich die Kondensatoren C und C. in dem nichtleitenden Betriebszua b

stand auf.

Weiterhin speist während des leitenden Betriebszustandes, wie bereits erwähnt, der Speicherkondensator C_ den optoelektronischen Empfänger 56 und die beiden Umkehrverstärker 66a und 66b. Sobald daher Ladung von dem Speicherkondensator C₅ abgezogen wird, würde daher bei fehlenden Kondensatoren C und C. die Spannung an den Gate-Elektroden G der Feldeffekttransistoren 72a und 72b zum Absinken neigen. Die Kondensatoren C und C. verringern dagegen diesen Spannungsabfall durch Entladung über die Drain-Source-Elektroden der Feldeffekttransistoren 72a bzw. 76b, die Widerstände 76a bzw. 76b, den Speicherkondensator C₅

die Anschlüsse 68a bzw. 68b der Umkehrverstärker 66a bzw. 66b und die Widerstände 74a bzw. 74b. Während der Entladung der Kondensatoren C und C. verursacht der Entladestrom durch die Widerstände 74a bzw. 74b einen Spannungsabfall an diesen Widerständen, wobei die Spannung an den Ausgängen der Umkehrverstärker 66a bzw. 66b positiver ist als an den Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren 72a bzw. 72b. Da mit zunehmender Entladung der Kondensatoren C und C. der Entladestrom abnimmt, werden die Spannungen an den Gate-Elektroden G zunehmend positiver.

Der positive Anstieg der Spannung an den Gate-Elektroden G der Feldeffekttransistoren 72a und 72b infolge der Entladung der Kondensatoren C und C. kann nun das durch Entladen des Speicherkondensators C_ be-

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dingte Absinken der Spannung an den Gate-Elektroden G ausgleichen, so daß die resultierende Spannung an diesen Gate-Elektroden während des leitenden Betriebszustandes der Schaltermodule im wesentlichen konstant bleibt, wenn die Dimensionierung der betroffenen Widerstände und Kondensastoren folgende Gleichung erfüllt:

(C_s/2) . R_74a = R_78a . C_a = R_78b . C_b

Darin bedeuten C- die Kapazität des Speicherkondensators Cc, R₇. den Widerstandswert des Widerstandes 74a, R₇A_h den Widerstandswert des Widerstandes 74b, C die Kapazität des Kondensators C und C. die Kapazität des Kondensators C.

Claims

Patentansprüche

1. Hochspannungs-Festkörperschalteranordnung (32) zum wahlweisen An- und Abkoppeln einer Spannungsversorgungsquelle (44) an einen bzw. von einem Verbraucher (30) abhängig von einem Steuersignal,

gekennzeichnet durch mehrere in Serie zwischen der Spannungsversorgungsquelle (44) und dem Verbraucher (30) wirksame Schaltermodule (42^ bis 42..), wobei jedes der Schaltermodule (z.B. 42_N_₁) einen Schalttransistor (72) und eine vom Steuersignal (auf Leitung 50) beeinflußbare Treiberschaltkreisanordnung (56, 66) zur Erzeugung eines unabhängigen Treibersignals für die Umsteuerung des Schalttransistors (72) vom leitenden in den nichtleitenden Zustand und umgekehrt aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jedes der Schaltermodule (z.B. 42_N ,) eine Stromversorgungseinrichtung aufweist, die mit der Treiberschaltkreisanordnung (56, 66) zur Speisung derselben gekoppelt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung das Bezugspotential für die Spannung des Treibersignals unabhängig vom Schaltzustand der die Spannungsversorgungsquelle (44) für den Verbraucher (30) an- und abkoppelnden Festkörperschalteranordnung (32) liefert.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, d a du r c h gekennzeichnet , daß jedes der Schaltermodule (z.B. 42 ,) einen Spannungswandler (84) aufweist, der mit der Spannungsversorgungsquelle (44)

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und der Stromversorgungseinrichtung gekoppelt ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung aus einer Energiespeichereinrichtung besteht, die mit der Spannungsversorgungsquelle (4A) für den Verbraucher (30) zum Eneregiespeichern koppelbar ist, wenn die Spannungsversorgungsquel-Ie (44) vom Verbraucher (30) abgekoppelt ist, und die die Treiberschaltkreisanordnung (56, 66) speist, wenn die Spannungsversorgungsquelle (44) an den Verbraucher (30) angekoppelt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch g e kennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung aus einem Kondensator (C₅) besteht.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Einrichtungen (48) zur Umwandlung des elektrischen Steuersignals in ein Energiestrahlungssignal und durch Einrichtungen (56) in jedem Schaltermodul (z.B. 42.,,) zur Umwandlung des Energiestrahlungssignales in ein elektrisches Steuersignal innerhalb der Treiberschaltkreisanordnung (56, 66).

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Energiestrahlungssignal ein Lichtsignal ist und daß die Einrichtungen zur Umwandlung optoelektronische Schaltkreisbausteine (48,

56) sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Schaltermodul (z.B. 42., ,) parallel zum Schalttransistor (72) Einrichtungen zur Bildung eines Kurz-

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schlußweges vorgesehen sind, die wirksam werden, wenn die Festkörperschaltanordnung (32) die Spannungsversorgungsquelle (44) an den Verbraucher (30) angekoppelt hat und wenn in dem Schaltermodul ein Fehler auftritt, so daß die normalerweise an dem fehlerbehafteten Schaltermodul (z.B. 42 ,) abfallende Spannung auf die übrigen, nicht fehlerbehafteten Schaltermodule verteilt wird.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor (72) aus einer Steuerelektrode (G) und zwei Ausgangselektroden (S und D) besteht, daß das Treibersignal der Treiberschaltkreisanordnung (56, 66) der Steuerelektrode (G) des Schalttransistors (72) zugeführt wird und daß die Ausgangselektroden (S und D) des Transistors (72) jeweils mit einem der beiden Anschlüsse (-54.,, bzw. 52.,,) des Schaltermoduls (z.B. 42.,,) gekoppelt sind, über die die Serienschaltung zwischen der Spannungsversorgungsquelle (44) und dem Verbrauchger (30) wirksam wird.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Transistor (72) ein Feldeffekttransistor mit der Gate-Elektrode (G) als Steuerelektrode und der Source- (S) und der Drain-Elektrode (D) als Ausgangselektroden ist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß das Treibersignal der Treiberschaltkreisanordnung (56, 66) der Gate-Elektrode (G) über einen ersten Widerstand (74) zugeführt wird.

13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode

. _. Patentanwälte

Dorner + Hufnagel — Ortnitstraße 20 8000 München 81

München, den 10. April 1986 /J

- - Amtl.Aktenz.: P 36 07 046.7

Anmelder:'"Raytheon.. Company Anwaltsaktenz.: 27 - Pat. 380

(G) und die Drain-Elektrode (D) über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (z.B. 78a) und einem Kondensator (z.B. C_a) miteinander gekoppelt sind.

14. Anordnung nach Anspruch 12 in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der Kapazität des Energiespeicherkondensators (Cg) und dem Widerstandwert des ersten Widerstandes (74) im wesentlichen dem Produkt aus der Kapazität des Serienkondensators (z.B. C_a) und dem Widerstandswert des Serienwiderstandes (z.B. 78a) proportional ist.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14 in Verbindung mit Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Source- und Drainelektrode (S und D) sowie zur Treiberschaltkreisanordnung (56, 66) eine Zenerdiode (80) vorgesehen ist.

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