DE3716428A1

DE3716428A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von stromimpulsen

Info

Publication number: DE3716428A1
Application number: DE19873716428
Authority: DE
Inventors: David Dravkin
Original assignee: Israel Aircraft Industries Ltd
Current assignee: Israel Aircraft Industries Ltd
Priority date: 1986-05-16
Filing date: 1987-05-15
Publication date: 1987-11-19
Also published as: IL78810A; IT1204613B; GB2190559B; GB2190559A; IL78810A0; US4812770A; GB8710768D0; FR2598867A1; IT8720520A0

Description

Die Erfindung betrifft Impulsmodulatoren, insbesondere solche, die Stromimpulse erzeugen.

Bekannte Impulsmodulatoren verwenden Energiespeicher als Teil eines impulsformenden Netzwerks (PFN), um während eines Ladezyklus Energie zu speichern, die dann während eines Entladezyklus freigegeben und einer Last durch eine Schaltanordnung zufließt.

Einer der bekannten Impulsmodulatoren, der zur Erzeugung von Hochspannungsrechteckimpulsen dient, wie sie in Radarsendern verwendet werden, ist ein Leitungstyppulser, oder "soft tube modulator". Bei solchen Systemen besteht das PFN-Netzwerk aus einer Reihe verteilter Kapazitäten und Impedanzen, die während des Ladezyklus hauptsächlich als Kapazität wirken. Sämtliche im PFN-Netzwerk gespeicherte Energie wird, sobald das PFN-Netzwerk auf das Schließen eines elektronischen Schalters, wie eines Thyratrons oder SCRs des Impulsgenerators, über die Last entladen. Bei diesen Impulsmodulatoren ist jedoch eine Änderung der Impulsdauer von Impuls zu Impuls nicht möglich. Ferner ist eine Hochspannungsquelle und in vielen Fällen eine Impedanzanpassung der Last nötig.

In Impulsmodulatoren, die in dem PFN-Netzwerk einen Induktor als Energiespeicher verwenden, wird die Speicherung und Entladung der im Induktor gespeicherten Energie durch das exponentielle Ansteigen und Abfallen des durch den Induktor fließenden Stroms bestimmt. Die Zeitkonstante der Schaltung bestimmt die Impulsdauer, während der die gespeicherte Gesamtenergie verbraucht wird. Da sich diese Zeitkonstante mit kürzer werdender Ladezeit nicht verändert, ergibt sich eine Begrenzung der Amplitude des der Last zuführbaren Stroms. Bei manchen Anwendungen kann dies ein Problem werden, da keine konstante Impulsamplitude beibehalten werden kann. Beispielsweise folgt bei einem Kraftfahrzeugzündsystem, das zum Energiespeichern eine Zündspule verwendet, die Impulswiederholfrequenz (PRF) einer erhöhten Motordrehzahl. Daraus ergibt sich die unerwünschte Wirkung, daß die für den Zündfunken verfügbare gespeicherte Energie verringert ist, und dies kann bei verschmutzter Zündstrecke die Leistungsfähigkeit nachteilig beeinflussen. Deshalb sind dann größere Impulsamplituden nötig, um die Erzeugung des Zündfunkens sicherzustellen.

Eine andere Art von Impulsmodulator, der zur Erzeugung von Hochspannungsrechteckimpulsen verwendet wird, ist ein "hard tube modulator". Bei dieser Modulatorart wird ein großer Kondensator zur Speicherung von Energie verwendet, die teilweise durch einen Hochspannungsvakuumschalter (Impulstriode) über die Last entladen wird. In diesem Modulator läßt sich die Impulsdauer verändern. Das Gewicht ist jedoch beträchtlich, weil der Kondensator eine große Kapazität benötigt. Zusätzlich läßt sich wegen der hohen Impedanz des Vakuumschalters nur ein geringer Wirkungsgrad erzielen.

Es ist deshalb erwünscht, einen Stromimpulsgenerator anzugeben, bei dem die Impulsdauer von Impuls zu Impuls variabel ist und der eine hohe Impulsfolgefrequenz (PRF) mit hohem Wirkungsgrad und geringer oder gar keiner Veränderung der Ausgangsamplitude ermöglicht, ohne daß eine Hochspannungsquelle oder eine Impedanzanpassung benötigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist deshalb, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und einen Stromimpulsgenerator anzugeben, der bei hohem Wirkungsgrad Stromimpulse hoher Impulsfolgefrequenz bei variabler Impulsdauer liefert, ohne daß sich deren Amplitude wesentlich ändert.

Zur Lösung der obigen Aufgabe empfängt der erfindungsgemäße Impulsgenerator während eines Ladezyklus Leistung von einer äußeren Energiequelle und liefert einen im wesentlichen konstanten Stromimpuls variabler Dauer an eine mit ihm verbundene Last während eines Entladezyklus, und ist gekennzeichnet durch
eine Spannungsquelle, die Anfangsenergie liefert,
einen Energiespeicher,
eine sättigbare Einrichtung, die mit der Spannungsquelle und dem Energiespeicher verbunden ist, die Anfangsenergie dem Energiespeicher zum Speichern zuführt und vor dem Ladezyklus im Sättigungszustand ist, und
einen Schalter, der, indem er die externe Energiequelle mit dem Generator verbindet, die Dauer des Ladezyklus bestimmt, so daß für die Dauer des Ladezyklus die sättigbare Einrichtung aus dem Sättigungszustand herauskommt und zusätzliche Energie in dem Energiespeicher über die gespeicherte Anfangsenergie hinaus ansammelt, wobei
die zusätzliche Energie während des mit dem Ende des Ladezyklus beginnenden Entladezyklus einen Stromimpuls erzeugt, der durch die Last verbraucht wird, die sättigbare Einrichtung automatisch den Sättigungszustand im Moment, wo der zusätzliche Energieverbrauch beendet ist, wieder einnimmt, und
der Stromimpuls mit veränderlicher Impulsdauer in Übereinstimmung mit dem Betrieb des Schalters wiederholbar ist.

Ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung eines Induktors als Energiespeicher, in dem ein anfängliches von Null verschiedenes Energieniveau immer gleich bleibt. Die äußere Energiequelle addiert während des Ladezyklus in gesteuerter Weise zur anfänglichen Energie zusätzliche Energie, die im Induktor gespeichert wird, die zur Entladung in der Last unmittelbar danach im Entladezyklus freigegeben wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung wird eine sättigbare Drosselspule als sättigbare Einrichtung verwendet, um automatisch einen Vorstrom durch den Induktor fließen zu lassen und die darin gespeicherte Anfangsenergie zwischen den Stromimpulsen aufrechtzuerhalten. Die sättigbare Drosselspule verbindet als schneller automatischer Schalter die Spannungsquelle mit dem Induktor, wenn der zusätzliche Energieverbrauch beendet ist.

Gemäß einem anderen vorteilhaften Merkmal verwendet die Erfindung eine Niederspannungsquelle als Spannungsquelle, die das Anfangsenergieniveau liefert und die sättigbare Drosselspule polarisiert.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung wird eine elektronische Schalteinrichtung als Schalter, der einen Steuerimpuls liefert, verwendet, um die Dauer des Ladezyklus festzulegen.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird statt der sättigbaren Drosselspule ein sättigbarer Transformator verwendet.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird statt der sättigbaren Drosselspule ein sättigbarer Spartransformator verwendet.

Der erfindungsgemäße Stromimpulsgenerator läßt sich für einen großen Anwendungsbereich, wie in Radarsendern, Navigationssystemen und medizinischen Geräten, wie z. B. in einem Schrittmacher, einsetzen, bei dem eine hohe Auflösung der Zeitintervalle gefordert ist.

Weitere Anwendungen sind das Präzisionspunktschweißen, bei dem ein bestimmter Energiebetrag schnell verbraucht werden muß, oder Anwendungen, die einen Hochspannungsausgang benötigen.

Die Erfindung wird im folgenden in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Stromimpulsgenerators;

Fig. 2 die Funktion der Schaltung gemäß Fig. 1 erläuternde Signal-Zeitdiagramme;

Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsvariante der Erfindung, die statt der in Fig. 1 verwendeten sättigbaren Drosselspule einen sättigbaren Transformator verwendet;

Fig. 4 eine zweite Ausführungsvariante gemäß der Erfindung, die die sättigbare Drosselspule gemäß Fig. 1 durch einen sättigbaren Spartransformator ersetzt.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Stromimpulsgenerators. Die Schaltung enthält handelsübliche elektrische Bauteile, die in neuer Anordnung verbunden sind und in einer neuen nachstehend beschriebenen Weise arbeiten.

Eine Spannungsquelle 10, die die angegebene Polarität hat, bildet den Eingang zu einem Ladekreis 12, der aus einem elektronischen Schalter 14 und einem linearen Induktor 16 in Reihenschaltung besteht. Der elektronische Schalter 14 ist ein schnelles Bauteil, wie ein Feldeffekttransistor (FET), der durch einen Steuerimpuls, der zwischen seinem Gate- und Sourceanschluß 18 und 20 angelegt wird, gesteuert werden kann. Der elektronische Schalter 14 kann auch eine Vakuumröhrentriode sein, die geeignet verbunden ist. Der Induktor 16 ist ein Standardbauteil mit Eisenkern mit einer Induktivität L und ist zur Schließung des Ladekreises 12 mit der Spannungsquelle 10 verbunden. Parallel zum Induktor 16 sind zwei einzelne Schaltungszweige geschaltet, die jeweils Komponenten aufweisen, die mit dem Ladekreis 12 während verschiedener Stufen im Betrieb des Stromimpulsgenerators zusammenarbeiten. Der erste dieser Zweige enthält eine sättigbare Drosselspule 22 in Reihe mit einer Niederspannungsquelle 24 mit der gezeigten Polarität.

Die Niederspannungsquelle 24 wird zur Erzeugung eines von Null verschiedenen Anfangsenergieniveaus im Induktor 16 verwendet, während der Sättigungszustand der sättigbaren Drosselspule 22 vorliegt. Über einen Widerstand 26 mit einem äquivalenten Widerstand Re, der den Widerstand des Induktors 16 und der sättigbaren Drosselspule 22 enthält, wird ein Vorstrom Ib geliefert. Die Spannung Ib, die die Spannungsquelle 24 abgibt, ist viel kleiner als die Spannung E der Spannungsquelle 10. Die sättigbare Drosselspule 22 ist ein bekannter Typ mit einem magnetischen Kern mit sehr hoher Permeabilität, der eine rechteckige Magnetisierungskurve hat.

Der zweite Schaltungszweig, der parallel zum Induktor 16 liegt, ist ein Entladekreis 28, der aus einer Diode 30 und einer Lastimpedanz 32 in Reihenschaltung besteht. Die Lastimpedanz 32 ist der von einer Nutzlast, wie einem Magnetron, einer IMPATT-Diode oder einer anderen Sendeeinrichtung dargestellte Widerstand. Die Diode 30 ist eine übliche Festkörper- oder Vakuumröhrendiode, und die Lastimpedanz 32 hat einen Widerstand RL, durch den der erzeugte Stromimpuls i 2 während eines Teils des Betriebs des Stromimpulsgenerators fließt, wie nachstehend beschrieben wird.

In einer speziellen Ausführung werden die Schaltelemente der in Fig. 1 dargestellten Schaltung mit folgenden Kennwerten gewählt:
Für die Spannungsquelle 10: E = 25 V;
der elektronische Schalter 14 ist ein FET 2N6760;
der Induktor 16 ist ein Kern T5026B mit 30 Windungen;
die sättigbare Drosselspule 22 ist ein Kern 3T9120D500AA mit sechs Windungen;
die Niederspannungsquelle 24 hat Eb = 1 V;
der Widerstand 26 hat einen äquivalenten Widerstand Re = 0,25 Ohm;
die Diode 30 ist eine 1N5823; und
die Last 32 weist einen Widerstand von RL = 25 Ohm auf.

Während des Betriebs arbeitet der Stromimpulsgenerator in zwei Stufen: in der ersten Stufe wird Energie während eines Ladezyklus angesammelt, indem der Induktor 16 als Energiespeicher wirkt; die zweite Stufe besteht in der Erzeugung des Stromimpulses durch die Last 32 während eines Entladezyklus, indem der Induktor 16 als Stromquelle wirkt. Die sättigbare Drosselspule 22 hat die Funktion eines schnellen automatischen Schalters, der das Anfangsenergieniveau des Energiespeichers zu Beginn und am Ende der zwei Stufen erhält, während der elektronische Schalter 14 eine Steuerung der ersten Betriebsstufe ermöglicht.

Am Anfang des Betriebs des Stromimpulsgenerators fließt kein Strom in den Ladekreis 12, weil der elektronische Schalter 14 ausgeschaltet ist und noch kein Steuerimpuls Vg zwischen seinem Gate- und Sourceanschluß 18 und 20 angelegt ist. Die Niederspannungsquelle 24 jedoch erzeugt den Vorstrom Ib, der als Strom IL des Induktors 16 anfänglich folgender Beziehung genügt:

iL = Ib = Eb/Re (1)

Der Magnetkern der sättigbaren Drosselspule 22 ist so gewählt, daß er am Anfang durch den Vorstrom Ib in den negativen Sättigungszustand kommt, so daß seine Induktion einen Wert -Bs hat. Ausgehend von den Kennwerten einer sättigbaren Drosselspule ist bekannt, daß diese im Sättigungszustand eine kleine negative oder positive Impedanz für den hindurchfließenden Strom darstellt. Somit erzeugt der Vorstrom Ib über dem aktiven Widerstand des Induktors 16 eine kleine positive Spannung, und die Diode 30 ist in Sperrichtung vorgespannt, so daß kein Strom in die Last 32 fließt, und deshalb ist i 2 = 0.

Wie gesagt ist der durch die sättigbare Drosselspule 22 fließende Vorstrom Ib der Anfangsstrom Il durch den Induktor 16 und erzeugt damit ein anfänglich von Null verschiedenes Energieniveau im Induktor, das folgende Gleichung angibt:

Wi = 0,5 L(Ib)² (2)

Die erste Betriebsstufe wird nun durch Anlegen eines Steuerimpulses Vg zwischen dem Gate- und Sourceanschluß 18 und 20 des elektronischen Schalters 14 eingeleitet, woraufhin der Schalter 14 leitend wird und dadurch die Spannungsquelle 10 dem Induktor 16 und dem zum Induktor 16 parallelgeschalteten beiden Schaltungszweigen anlegt, die jeweils die sättigbare Drosselspule 22 und die Last 32 enthalten.

Der Spannungsabfall am Schalter 14 ist vernachlässigbar, so daß wirklich die Gesamtspannung E am Induktor 16 anliegt. Es gilt V _L = E. Die Spannung E, die sehr viel größer als die Spannung Eb ist, liegt auch an der sättigbaren Drosselspule 22. Die Spule 30 bleibt in Sperrichtung vorgespannt, so daß der Strom i 2 Null bleibt.

Wenn der Steuerimpuls Vg beginnt, wirkt die sättigbare Drosselspule 22 als schneller automatischer Schalter und antwortet auf die ihr angelegte Spannung E, indem sie schnell aus dem negativen Sättigungszustand-Bs herauskommt. Dadurch erhält die sättigbare Drosselspule 22 aufgrund ihrer Charakteristik eine hohe Impedanz und trennt scheinbar die Niederspannungsquelle 24 vom Induktor 16 ab. So lange der Steuerimpuls Vg zwischen dem Gateanschluß und dem Sourceanschluß 18 und 20 des Schalters 14 anliegt, ändert die Spannung E die Induktion Bsr des Kerns der sättigbaren Drosselspule 22 in Übereinstimmung mit folgender Gleichung:

Bsr = -Bs + 1/NA ∫Edt (3)

wobei A der wirksame Querschnitt des Kerns der Drosselspule 22 und N ihre Windungszahl sind. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Werte von A und N der sättigbaren Drosselspule 22 so gewählt, daß der Kern nie in die positive Sättigung nach Gleichung (3) gerät. Dies bedeutet auch, daß die Dauer des Steuerimpulses Vg kleiner ist, als sie zum Erreichen der positiven Sättigung nötig wäre.

Nun wird anhand der Fig. 2, die Signalzeitdiagramme des Betriebs der Schaltung gemäß Fig. 1 zeigt, das erfindungsgemäße Verfahren erläutert. Die obere Signalform zeigt eine Ladezeitdauer T 1, die sich ergibt, wenn der Steuerimpuls Vg dem Schalter 14 kontinuierlich zugeführt wird. Das zweite Signalzeitdiagramm zeigt, daß die Spannung VL während der Ladezeitdauer T 1 gleich der Spannung E der Spannungsquelle 10 ist. Das dritte Signalzeitdiagramm stellt die Änderung der Induktion Bsr dar, die wegen des Vorstroms Ib vor der Ladezeit T 1 mit dem negativen Sättigungswert-Bs beginnt und dann während T 1 in Richtung des positiven Sättigungszustands nach Gleichung (3) geht.

Während der Ladezeitdauer T 1 speist die Spannungsquelle 10 den Strom i 1 zum Induktor 16. Da der Strom iL durch den Induktor 16 anfänglich vor der Ladezeit nach Gleichung (1) Ib war, kann er sich nicht sofort mit dem Schließen des Schalters 14 ändern, und i 1 beginnt deshalb mit der Stromstärke Ib. Während der Ladezeit T 1 wächst der zum Induktor 16 fließende Strom i 1, wie das vierte Signalzeitdiagramm zeigt, nach folgender Gleichung an:

i 1 = iL = Ib + 1/L ∫Edt (4)

Am Ende der Ladezeit T 1, wenn der Steuerimpuls Vg nicht mehr am Schalter 14 liegt, hat die Induktion Bsr einen Wert

Bm = -Bs + 1/NA ∫Edt (5)

erreicht.

Im selben Moment ist die Stromstärke des durch den Induktor 16 fließenden Stroms iL auf den Wert

Im = Ib + 1/L ∫Edt (6)

angewachsen.

Der Induktor 16 hat in der Zeit, in der der Strom iL angewachsen ist, Energie angesammelt, und die angesammelte Energie, die zusätzlich zur anfänglich im Induktor 16 gespeicherten Energie angesammelt wurde, ist durch Gleichung (2) gegeben. Die zusätzliche im Zeitraum T 1 akkumulierte Energie ist durch

Wi(T 1) = 0,5 L [(Ib + Δ I)² - Ib ²] (7)

gegeben, wobei Δ I = Im - Ib ist.

Wenn der Steuerimpuls Vg nicht mehr am Schalter 14 anliegt, so daß dieser nicht mehr leitet, endet die Ladezeit T 1, und die zweite Betriebsstufe mit der Entladezeit T 2, während der der Stromimpuls erzeugt wird, beginnt. Da die Ladezeit T 1 mit dem Induktorstrom iL = Im gemäß Gleichung (6) endete, beginnt die Entladezeit T 2 mit einer momentanen Gegeninduktionsspannung über dem Induktor 16 mit einem zur Aufrechterhaltung dieser Stromstärke und der Richtung des Stromflusses nötigen Spannungswert. Diese Gegeninduktionsspannung zeigt das zweite Signalzeitdiagramm in Fig. 2, sobald V _L während der Entladezeit T 2 gegenüber der während der Ladezeit T 1 vorhandenen Polarität entgegengesetzte Polarität annimmt.

Da die Diode 30 nun durch die Spannung V _L in Durchlaßrichtung vorgespannt ist und die sättigbare Drosselspule 22 noch eine hohe Impedanz hat und dadurch der Induktor 16 von der Niederspannungsquelle 24 abgetrennt ist, fließt der Strom iL im Induktor 16 durch die Last 32 als Ausgangsstrom i 2, wie das fünfte Signalzeitdiagramm in Fig. 2 zeigt. Unter Vernachlässigung des Spannungsabfalls in Durchlaßrichtung der Diode 30 erzeugt dieser Strom i 2 eine Spannung in der Last 32, die gleich der am Induktor 16 ist:

V _L = V ₂ = (i 2) (RL) (8)

Während der Entladezeit T 2 nehmen der Strom iL durch den Induktor 16 und der Ausgangsstrom i 2 nach folgender Gleichung ab:

iL = i 2 = Im - 1/L ∫VLdt (9)

Gleizeitig nimmt die Induktion Bsr der sättigbaren Drosselspule 22 in Richtung zum negativen Sättigungszustand nach folgender Gleichung ab:

Bsr = Bm - 1/NA ∫VLdt (10)

Zum Zeitpunkt, wo die Entladezeit T 2 vergangen ist (t = T) und der Strom iL durch den Induktor 16 wieder den anfänglichen Wert Ib erreicht hat, kehrt die Induktion Bsr der sättigbaren Drosselspule 22 zum negativen Sättigungszustand -Bs zurück. Dies bewirkt, daß die Impedanz der sättigbaren Drosselspule 22 schnell auf einen kleinen Wert abfällt, so daß sie fast einen Kurzschluß bildet und den Ausgangsstrom i 2 durch Vorspannung der Diode 30 in Sperrichtung mittels der Spannung Ib der Niederspannungsquelle 24 schnell auf einen sehr kleinen Wert abfallen läßt. Der Strom Ib von der Spannungsquelle 24 fließt dann wieder, und die Vorrichtung kehrt zu ihrem Anfangszustand zurück. Dann kann dem Schalter 14 ein neuer Steuerimpuls Vg angelegt werden, um den Vorgang zu wiederholen.

Der Ausgangsstrom i 2 tritt für die Dauer der Entladezeit T 2 (T 1 + T 2 = T) als ein Impuls auf, dessen Dauer von der Impedanz der Last 32 abhängt. Falls die Last 32 nur einen ohmschen Widerstand darstellt, ist die Entladezeit:

T 2 = (L/RL) ln[(Ib + Δ I)/Ib] (11)

Da der Strom iL durch den Induktor 16 zu dem vor der ersten Betriebsstufe vorliegenden Anfangsstrom Ib zurückkehrt, ist die zusätzliche Energie, die durch den Induktor 16 in der Ladezeit T 1 angesammelt wurde, in Übereinstimmung zu der von der Last 32 während der Entladezeit T 2 verbrauchten Energie. Das anfänglich vorliegende von Null verschiedene Energieniveau im Induktor 16, wie es durch die Gleichung (2) gegeben ist, ist erhalten, weil die sättigbare Drosselspule 22 als ein schneller automatischer Schalter wirkt und die Niederspannungsquelle 24 wieder mit dem Induktor 16 verbindet, wenn der zusätzliche Energieverbrauch endet. Die Diode 30 verhindert, daß die Last 32 die während der Ladezeit T 1 vom Induktor angesammelte Energie verbraucht. Die Diode 30 ist nicht nötig, wenn durch die Last nur in einer Richtung Strom fließen kann.

Der Stromimpuls i 2, der gemäß dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt wird, hat ein abfallendes Dach, da sich der Induktor 16 während der Entladezeit T 2, wie die Gleichung (9) angibt, entlädt. Dieser Vorgang kann durch die Wahl einer genügend großen Induktivität L des Induktors 16 minimiert werden. Das Ergebnis ist ein nahezu rechteckiger Signalverlauf des Stromimpulses i 2, der sich dem Gegenwert Ib nähert, da Δ I ebenfalls minimiert ist und iL nicht wesentlich über seinen Anfangswert wächst, wie Gleichung (6) zeigt. Somit ist ersichtlich, daß die Amplitude des Ausgangsstromimpulses i 2 und des Eingangsstroms i 1 nahezu gleich Ib ist und somit unabhängig von der Impedanz der Last 32 und unabhängig von der Spannung der Spannungsquelle 10 sind.

Nun kann zwischen der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung, der Ladezeitdauer T 1 und der Impulsdauer T 2 über einen Gesamtzyklus des Impulsgenerators während der Zeitdauer T = T 1 + T 2 eine wichtige Beziehung angegeben werden. Aus der Tatsache, daß für alle Induktortypen das Spannungs/Zeitintegral über die gesamte Betriebsdauer Null ist, folgt, daß

∫VLdt = ∫Edt + ∫V 2 dt = 0, oder
∫Edt = -∫V 2 dt (12)

Für den Fall des Rechteckstromimpulses i 2 mit konstanter Spannung V 2 reduziert sich Gleichung (12)auf:

|E × T 1| = |V 2 × T 2| oder
|T 2-|= |E × T 1|/V 2 (13)

Daraus ist ersichtlich, daß die Dauer T 2 des Ausgangsimpulses proportional der Dauer T 1, nämlich der Dauer des Steuerimpulses Vg ist. Somit läßt sich leicht die Dauer des Ausgangsimpulses steuern.

Da der Generator im selben Moment, wo der Ausgangsimpuls endet, zu seinem Anfangszustand zurückkehrt und der Steuerimpuls fast sofort nach Beginn einer neuen Ladezeitdauer angelegt werden kann, läßt sich mit dem Impulsgenerator eine hohe Impulsfolgefrequenz erreichen.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 3, bei der ein sättigbarer 3-Wicklungstransformator 34 statt der sättigbaren Drosselspule 22 gemäß Fig. 1 verwendet wird. Statt der in Fig. 1 vorliegenden gleichen Werte der Eingangs/Ausgangs- und Vorströme können bei den in Fig. 3 gezeigten Schaltungsanordnungen der Eingangsstrom i 1, der Ausgangsstrom i 2 und der Vorstrom Ib getrennt in Übereinstimmung mit dem Windungsverhältnis der Wicklungen N 1, N 2 und der Vorstromwicklung Nb gewählt werden.

Der Betrieb der Schaltung gemäß diesem Ausführungsbeispiel beginnt mit einem anfänglich durch die Vorstromwicklung Nb fließenden Induktorstrom Ib. Dieser erzeugt im Induktor 16 ein anfängliches Energiespeicherniveau und sättigt den Kern des Transformators 34. Da der Transformator 34 gesättigt ist, gibt er an seine Ausgangswicklung N 2 keine induzierte Spannung ab, und der Ausgangsstrom i 2 ist Null.

Wenn der Steuerimpuls Vg dem elektronischen Schalter 14 während der Ladezeitdauer T 1 angelegt wird, liegt die Spannung E der Primärwicklung N 1 des sättigbaren Transformators 34 an. Dies bewirkt, daß der Transformator 34 aus der Sättigung kommt, so daß seine Wicklungsinduktanz auf einen sehr hohen Wert ansteigt, und er beginnt als normaler Leitungsübertrager zu arbeiten. Die Diode wird durch die in der Wicklung N 2 induzierte Spannung in Sperrichtung vorgespannt, und der Ausgangsstrom i 2 bleibt Null.

Die Spannung, die während der Ladezeit an der Wicklung Nb erscheint, bewirkt, daß der Strom iL des Induktors von Ib auf eine höhere Stromstärke ansteigt. Dies ist vom Ansammeln zusätzlicher Energie im Induktor 16 begleitet. Wenn der Steuerimpuls Vg endet, muß der Induktorstrom iL weiter in der selben Richtung mit dem selben Wert fließen. Dies bewirkt, daß am Induktor 16 eine Gegeninduktivitätsspannung erscheint, so daß die Vorstromwicklung Nb eine Spannung in der Ausgangswicklung N 2 induziert, die die Diode 30 in Durchlaßrichtung vorspannt. Somit beginnt in Übereinstimmung mit dem Wicklungsverhältnis zwischen der Vorstromwicklung Nb und der Ausgangswicklung N 2 ein Ausgangsstrom i 2 zu fließen.

Wenn der Induktorstrom IL auf seinen anfänglichen Wert abgefallen ist, kehrt der sättigbare Transformator 34 in den Sättigungszustand zurück. Dies beendet die Energieübertragung von der Vorstromwicklung Nb zur Ausgangswicklung N 2, so daß der Ausgangsstrom i 2 auf Null abfällt. Der Induktor 16 kehrt auf sein Anfangsenergieniveau zurück, und der Generator ist bereit für den nächsten Betriebszyklus.

Fig. 4 zeigt eine Alternativform der Erfindung, die einen sättigbaren 2-Wicklungsspartransformator 36 statt der in der Schaltung gemäß Fig. 1 verwendeten sättigbaren Drosselspule 22 verwendet. Die gleichen Bezugszeichen geben die gleichen Bauteile an. Statt der gleichen Werte für den Eingangs/Ausgangs- und Vorstrom zeichnet sich die in Fig. 4 dargestellte Schaltungsanordnung durch eine getrennte Wählbarkeit dieser Stromstärken aus. Dies kann durch Einstellen der Position der Anzapfung 38 am Spartransformator 36 und des Windungsverhältnisses zwischen der Vorstromwicklung Nb und der Primärwicklung N 2 erzielt werden. Die Funktion der Schaltung ist gemäß den bekannten Eigenschaften des in Fig. 3 beschriebenen sättigbaren Transformators selbstverständlich.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Stromimpulsgenerator angegeben, mit dem sich eine hohe Impulsfolgefrequenz und eine variable Impulsdauer ohne die im wesentlichen konstante Amplitude der erzeugten Stromimpulse zu ändern erzielen läßt. Dadurch kann eine Anpassung der Lastimpedanz entfallen.

Claims

1. Stromimpulsgenerator, der während einer Ladezeitdauer (T 1) Energie von einer äußeren Energiequelle (10) erhält und einen im wesentlichen konstanten Stromimpuls variabler Dauer während einer Entladezeitdauer (T 2) an eine angeschlossene Last (32) liefert, gekennzeichnet durch
eine Spannungsquelle (24; Eb), die eine Anfangsenergie liefert;
eine Energiespeichereinrichtung (16);
eine sättigbare Einrichtung (22; 34; 38), die mit der äußeren Energiequelle (10) und der Energiespeichereinrichtung (24; Eb) verbunden ist, um dieser die Anfangsenergie zuzuführen und die vor der Ladezeit (T 1) im Sättigungszustand (-Bs) ist; und
eine Schalteinrichtung (14), die die Dauer der Ladezeit (T 1) bestimmt, indem sie die äußere Energiequelle (10) mit dem Impulsgenerator verbindet, wobei
für die Dauer der Ladezeit (T 1) die sättigbare Einrichtung den Sättigungszustand (Bs) verläßt und zusätzliche Energie in der Energiespeichereinrichtung (16) über das Niveau der anfänglich gespeicherten Energie hinaus ansammelt,
die zusätzliche Energie in Form eines Stromimpulses in der Last während der unmittelbar am Ende der Ladezeitdauer (T 1) beginnenden Entladezeit (T 2) verbraucht wird,
die sättigbare Einrichtung (22; 34; 38) automatisch im Moment, wo der zusätzliche Energieverbrauch durch die Last endet, wieder ihren Sättigungszustand annimmt, und
der Stromimpuls mit variabler Impulsdauer in Übereinstimmung mit dem Schaltbereich der Schalteinrichtung (14) wiederholbar ist.

2. Stromimpulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiespeichereinrichtung (16) einen Induktor aufweist.

3. Stromimpulsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sättigbare Einrichtung (22) eine sättigbare Drosselspule mit einem Kern mit rechteckiger Magnetisierungskurve ist.

4. Stromimpulsgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (24) eine Niederspannungsquelle ist, die einen Vorstrom erzeugt, der als Anfangsenergie im Induktor (16) gespeichert wird und die sättigbare Drosselspule (22) polarisiert.

5. Stromimpulsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (14) ein durch einen Steuerimpuls betreibbarer elektronischer Schalter ist.

6. Schaltimpulsgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Schalter (14) ein Bipolartransistor ist.

7. Stromimpulsgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (14) ein Feldeffekttransistor ist.

8. Stromimpulsgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (14) eine Trioden-Vakuumröhre mit einem Steuergitter ist.

9. Stromimpulsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sättigbare Einrichtung (38) ein sättigbarer Transformator ist (Fig. 3).

10. Stromimpulsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sättigbare Einrichtung (34) ein sättigbarer Spartransformator ist (Fig. 4).

11. Verfahren zur wiederholbaren Erzeugung von Stromimpulsen, die eine mit einem diesen Stromimpuls erzeugenden, von einer externen Energiequelle versorgten Stromimpulsgenerator verbundenen Last zugeführt werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
anfängliches Speichern einer von Null verschiedenen Energie von einer Spannungsquelle,
Festlegen einer Ladezeit (T 1), während der die äußere Energiequelle zusätzliche Energie dem Energiespeicher überträgt, die darin über das Anfangsenergieniveau hinaus angesammelt wird, und
Festlegen des Endes der Ladezeit (T 1), so daß eine Entladezeit (T 2) unmittelbar mit dem Ende der Ladezeit (T 1) beginnt, während der die zusätzlich im Energiespeicher angesammelte Energie einen Stromimpuls erzeugt, der der Last zugeführt wird, wobei das Anfangsenergieniveau im Energiespeicher automatisch im Moment, wo der zusätzliche Energieverbrauch beendet ist, wieder angenommen wird, und
die Lade- und Entladezeit nach Maßgabe der abwechselnden Durchführung der Festlegungsschritte aufeinanderfolgend wiederholbar sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher ein Induktor ist.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die abwechselnde Durchführung der Festlegungsschritte in Übereinstimmung mit einem äußeren Steuersignal erfolgt.