DE4311455A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Spannungs- oder Strompulsen, insbesondere zum Einsatz für Laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Spannungs- oder Strompulsen, insbesondere zum Ein­ satz für Laser, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Im Spannungsbereich bis zu einigen 100 V stehen für den Aufbau solcher Generatoren beispielsweise mit Metall­ oxid-Feldeffekttransistoren schnelle Halbleiter zur Ver­ fügung, die eine Pulserzeugung ermöglichen. Diese Schaltelemente haben jedoch nur eine geringe Wärmekapa­ zität, wodurch die Schaltleistungen im Pulsbetrieb be­ schränkt sind.

Es sind auch Vorrichtungen bekannt, bei denen als nieder­ ohmige Schaltelemente im Hochspannungsbereich Funken­ schalter bzw. Thyratrons eingesetzt werden. Sie haben jedoch nur eine begrenzte Repetitionsfrequenz, und der konstruktive Aufwand dieser Schalter ist hoch.

Bei diesen bekannten Vorrichtungen ist die Erzeugung von Spannungspulsen alternierender Polarität nur mit erhöh­ tem Aufwand möglich. Wird eine von Rechteckpulsen mit steilen Pulsflanken abweichende Pulsform gefordert, so tritt ein beträchtlicher Spannungsabfall an den Schalt­ elementen bei gleichzeitigem Stromfluß durch diese Schaltelemente mit der Folge hoher ohmscher Verluste auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungs­ gemäße Vorrichtung so auszubilden, daß bei kostengünsti­ ger Ausbildung nahezu beliebige Spannungsverläufe, bei­ spielsweise von Pulsen alternierender Polarität, bei ho­ hen Wirkungsgraden möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Energie­ speicher aus gekoppelten Schwingkreisen gebildet, in die Energie eingekoppelt wird. Die Resonanzfrequenzen der Schwingkreise sowie Phase und Amplitude der Schwingungen sind gemäß der Fourierzerlegung des gewünschten Aus­ gangssignals so abgestimmt, daß dieses durch das Summen­ signal aller Schwingkreise angenähert wird. Die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Erzeugung nahezu beliebiger Spannungs- und Stromverläufe, insbesondere steilflankiger Pulse hoher Amplitude. Die Schwingkreis­ elemente werden jeweils nur mit einem Bruchteil der Aus­ gangsspannung bzw. Ströme beaufschlagt, so daß kosten­ günstige Bauteile verwendet werden können. Die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung läßt sich darum sehr preisgün­ stig fertigen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den wei­ teren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeu­ gung von Spannungs- oder Strompulsen,

Fig. 2 einen bekannten Generator zur Erzeugung von Rechteckpulsen,

Fig. 3 den Spannungsverlauf an der Last des Genera­ tors gemäß Fig. 2,

Fig. 4 die Spannungsverläufe an Schwingkreiskonden­ satoren der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 5 die resultierende Ausgangsspannung der er­ findungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 6 die Ausgangsspannung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 bei allmählicher Energiezufuhr durch Treiber,

Fig. 7 das Ausgangssignal gemäß Fig. 6 bei einer Erhöhung der Anzahl der Schwingkreise,

Fig. 8 das Ausgangssignal der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit jeweils einer ungeradzahli­ gen Anzahl von Schwingungen im Zeitinter­ vall,

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Anordnung.

Fig. 2 zeigt einen herkömmlichen Generator zur Erzeugung von Spannungspulsen. Die Anstiegszeiten und der zulässi­ ge Pulsstrom sind durch das Schaltelement 5 bestimmt.

Im Spannungsbereich bis zu einigen Hundert Volt stehen hier beispielsweise mit Metalloxid-Feldeffekttransisto­ ren schnelle Halbleiter zur Verfügung. Das Schaltelement S kann als steuerbarer Widerstand mit einem nahezu un­ endlichen Maximalwert R_off und einem typischen Minimal­ wert R_on im Bereich einiger Ohm charakterisiert werden. Weitere wichtige Kenngrößen sind die maximale Sperrspan­ nung U_max und der maximal zulässige Strom I_max. In Fig. 3 ist der Spannungsverlauf an der Last des Generators gemäß Fig. 2 dargestellt. Parallel zur Spannungsquelle S ist ein Pufferkondensator C geschaltet. Außerdem ist dem Schaltelement S die Last R_L nachgeschaltet. Wegen der geringen Wärmekapazität der Schaltelemente S ist auch bei kleinsten Tastverhältnissen c = t/T nach Fig. 3 eine Auslegung für den vollen Pulsstrom

I_P = U₀/(R_L + R_on) (1)

erforderlich. t ist hierbei die Pulsbreite und T der Ab­ stand zwischen den Anstiegsflanken aufeinanderfolgender Pulse.

Bei Lasten mit kapazitivem Anteil und steilflankigen Pulsen ist bei den kleinsten Tastverhältnissen c = t/T eine Auslegung für den vollen Strom

I_P = U₀/R_on (2)

erforderlich.

Da die ohmsche Verlustleistung des Schaltelementes S im Pulsbetrieb gegenüber einem von dem gemittelten Strom cI_P durchflossenen Widerstand R_on um den Faktor 1/c überhöht ist, müssen die Schaltelemente für diese Ver­ lustleistung ausgelegt werden. Mit zunehmender Strombe­ lastbarkeit der Halbleiter vergrößern sich im allgemei­ nen auch deren Schaltzeiten t_on und t_off (Fig. 3), was neben einer Abflachung der Pulsflanken auch ein Anwach­ sen der Schaltverluste nach der Beziehung

P = U₀ ²(t_on + t_off)/(3TR_on) (3)

bewirkt. Mit zunehmender Pulsamplitude, steigendem Puls­ strom und anwachsender Pulswiederholfrequenz gestaltet sich der Aufbau derartiger Anordnungen darum immer schwieriger.

Übersteigt die geforderte Pulsamplitude die maximale Sperrspannung eines Einzelhalbleiters, so ist eine auf­ wendige Kaskadierung exakt synchronisierter Schaltele­ mente mit der Folge eines entsprechenden anwachsenden Innenwiderstandes erforderlich.

Es ist zwar auch die Transformation eines Signals gerin­ gerer Amplitude möglich, führt jedoch wegen der unver­ meidlichen Streuinduktivität des Übertragers in Verbin­ dung mit den kapazitiven Anteilen des Hochspannungskrei­ ses zu einer Abflachung der Pulsflanken. Weiterhin ge­ staltet sich die gleichzeitige Realisierung einer aus­ reichenden Isolation zwischen Primär- und Hochspannungs­ wicklung und einer starken magnetischen Koppelung der Wicklungen schwierig.

Als sehr niederohmige Schaltelemente auch im Hochspan­ nungsbereich werden Funkenschalter bzw. Thyratrons ein­ gesetzt. Ihr Nachteil besteht u. a. in der begrenzten Re­ petitionsfrequenz und im konstruktiven Aufwand dieser Schalter.

In allen angeführten Konfigurationen ist die Erzeugung von Spannungspulsen alternierender Polarität nur mit deutlich erhöhtem Aufwand möglich. Wird eine von Recht­ eckpulsen mit steilen Pulsflanken abweichende Pulsform gefordert, so tritt ein Spannungsabfall an den Schalt­ elementen bei gleichzeitigem Stromfluß durch diese Schaltelemente mit der Folge hoher ohmscher Verluste auf.

Die Anforderungen an das Schaltelement S des Generators gemäß Fig. 2 sind deshalb so hoch, weil das Schaltele­ ment S während des Pulses mit dem vollem, gegenüber dem gemittelten Strom stark überhöhten Pulsstrom belastet wird.

Diese Nachteile treten bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 nicht mehr auf. Sie stellt einen Energiespeicher aus passiven, nahezu verlustlosen Bauelementen dar, in den kontinuierlich auch während der Zeiträume zwischen den Pulsen Energie bei entsprechend verminderten Strömen eingebracht wird. Diese Energiezufuhr erfolgt über zahl­ reiche Schaltelemente, so daß diese nur sehr geringen Anforderungen bezüglich der Strombelastbarkeit genügen müssen. Diese Anordnung ermöglicht außerdem die Darstel­ lung nahezu beliebiger Spannungsverläufe, beispielsweise von Pulsen alternierender Polarität, bei hohen Wirkungs­ graden. Auch bei höchsten Signalamplituden sind sehr ge­ ringe Innenwiderstände realisierbar.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 besteht beispielhaft aus sechs gekoppelten Schwingkreisen 1 bis 6. Sie sind hin­ tereinandergeschaltet und haben jeweils einen Schwing­ kreiskondensator und eine Schwingkreisspule 13 bis 18. In die Schwingkreise 1 bis 6 wird über mit den Schwing­ kreisinduktivitäten 13 bis 18 magnetisch gekoppelte Hilfswicklungen 19 bis 24 Energie eingekoppelt. Die Re­ sonanzfrequenzen der Schwingkreise 1 bis 6 sowie die Phase und Amplitude der Schwingungen sind gemäß einer Fourierzerlegung des gewünschten Ausgangssignales 25 so abgestimmt, daß dieses durch das Summensignal aller Schwingkreise 1 bis 6 angenähert wird.

In Fig. 1 sind auch die den Schwingkreisen zugehörigen Treiber 26 bis 31 schematisch dargestellt. Die Schwing­ kreise 1 bis 6 sind mit den jeweils zugehörigen Ansteu­ er- und Treiberschaltungen zu identischen, kompakten Baugruppen zusammengefaßt.

Fig. 4 zeigt beispielhaft den Zeitverlauf der Spannungen an den Schwingkreisen 1 bis 6 sowie in Fig. 5 das resul­ tierende Summensignal eines Nadelpulsgenerators aus den sechs Schwingkreisen im eingeschwungenen Zustand. Die Schwingkreise 1 bis 6 sind so abgestimmt, daß der Schwingkreis 6 eine, der Schwingkreis 5 zwei, der Schwingkreis 4 drei, der Schwingkreis 3 vier, der Schwingkreis 2 fünf und der Schwingkreis 1 sechs Schwin­ gungen je Zeitintervall ausführen. Dieses Zeitintervall entspricht dem Abstand T (Fig. 3) zweier Pulse. Eine (nicht dargestellte) Synchronisiervorrichtung stellt die Phase der Schwingungen so ein, daß gerade zu den vorge­ sehenen Zeitpunkten eine konstruktive Addition der Ein­ zelspannungen gleicher Amplitude erfolgt. Fig. 5 zeigt diese konstruktive Addition der einzelnen Spannungen ge­ mäß Fig. 4. An den Ausgang der Schaltung gemäß Fig. 1 kann beispielsweise die Elektrodenstruktur einer Gasent­ ladung angeschlossen werden, deren Zündspannung vorteil­ haft nahe des Spannungsmaximums 32 gewählt ist. Zu die­ sem Zeitpunkt ist die elektrische Energie jedes Schwing­ kreises 1 bis 6 im jeweiligen Kondensator 7 bis 12 ge­ speichert, so daß eine sehr niederohmige Abgabe dieser Energie möglich ist. Die Flankensteilheit des Entla­ dungsstroms wird generatorseitig nur durch den indukti­ ven Anteil der hintereinander geschalteten Kondensatoren 7 bis 12 begrenzt.

Nach der Energieabgabe an die Last sind die Schwing­ kreiskondensatoren 7 bis 12 entladen. Unmittelbar an­ schließend oder nach Eingang eines Triggersignals wird den Schwingkreisen 1 bis 6 über die Einkoppelwicklungen 19 bis 24 wieder Energie zugeführt. Dadurch nimmt die Amplitude der Oszillationen stetig zu, bis zum Zeitpunkt des nächsten Pulses der vorbestimmte Wert erreicht ist.

Fig. 6 zeigt die Ausgangsspannung der Anordnung gemäß Fig. 1 bei der beschriebenen allmählichen Energiezufuhr durch die Treiber 26 bis 31. Es ist erkennbar, daß die Amplitude der Oszillationen allmählich zunimmt, bis der vorbestimmte Höchstwert erreicht ist.

Durch die Hinzufügung weiterer Schwingkreise können die Amplitude und die Flankensteilheit der Pulse ohne eine Änderung der schon vorhandenen Schwingkreise 1 bis 6 er­ höht werden. Somit läßt sich die Anordnung durch eine entsprechende Zahl von Schwingkreisen optimal an die ge­ wünschte Amplitude und/oder Flankensteilheit anpassen.

Fig. 7 zeigt das Ausgangssignal bei einer Erhöhung der Anzahl der Schwingkreise auf zwanzig. Wie Fig. 7 zeigt, wird durch die Hinzufügung weiterer Schwingkreise auch das Verhältnis zwischen den Pulsamplituden und der Am­ plitude des Summensignales zwischen den Pulsen erhöht.

Durch den Einsatz eines nichtlinearen Gliedes, bei­ spielsweise einer sättigbaren Induktivität, zwischen der Pulsspannungsquelle und der Last kann die Energieabgabe an diese zwischen den Pulsen weiter verringert wird.

Fig. 8 zeigt das Ausgangssignal einer Vorrichtung, die zwanzig Schwingkreise aufweist, die mit jeweils ungerad­ zahliger Anzahl von Schwingungen im Zeitintervall T ar­ beiten. Werden solche Schwingkreise gekoppelt, so ent­ stehen, wie Fig. 8 zeigt, Hochspannungspulse mit alter­ nierender Polarität.

Fig. 9 zeigt eine Vorrichtung, bei der die Schwingkreise 1a bis 3a parallel geschaltet sind. Die Schwingkreise haben ebenfalls die Kondensatoren 7a bis 9a und die In­ duktivitäten 13a bis 15a, die vorzugsweise Spulen sind. Mit den Schwingkreisinduktivitäten 13a bis 15a sind wie­ derum Hilfswicklungen 19a bis 21a magnetisch gekoppelt.

Über diese Hilfswicklungen 19a bis 21a kann in die Schwingkreise 1a bis 3a Energie eingekoppelt werden. Die entsprechenden Treiber sind mit 26a bis 28a bezeichnet.

Aufgrund der Parallelschaltung der Schwingkreise 1a bis 3a addieren sich die Ströme in der allen Schwingkreisen gemeinsamen Leitungsverbindung 33.

Der bei Einsatz dieser Vorrichtung sich ergebende resul­ tierende Strom zeigt wieder den Verlauf entsprechend den Fig. 4 bis 8. Auf eine Potentialtrennung zwischen den Einkoppelwicklungen 19a bis 21a und den Schwingkreisen 1a bis 3a kann verzichtet werden.

Die Schwingkreiselemente beider Schaltungsvarianten nach den Fig. 1 und 9 werden jeweils nur mit einem Bruchteil der Ausgangsspannung bzw. der Ströme der Anordnung be­ aufschlagt, so daß kostengünstige Bauteile eingesetzt werden können. An die Stärke der Kopplung zwischen der Hilfs- und der Schwingkreiswicklung werden keine hohen Anforderungen gestellt, so daß die Forderung nach einer hohen Isolation und kleinen Koppelkapazitäten zwischen diesen Wicklungen ohne Aufwand erfüllt werden kann.

Die Schwingkreise 1 bis 6, 1a bis 3a können mit den je­ weils zugehörigen Ansteuer- und Treiberschaltungen 26 bis 31, 26a bis 28a zu weitgehend identischen, kompakten Baugruppen zusammengefaßt und vorzugsweise über variable Kerninduktivitäten bei gleichen Windungszahlen und Schwingkreiskapazitäten auf die geforderten Resonanzfre­ quenzen abgestimmt werden. Die Generierung der Ansteuer­ signale kann beispielsweise durch programmierbare PLL- Schaltungen aus einem gemeinsamen Synchronisationssignal erfolgen. Die Einstellung der Schwingungsamplituden kann beispielsweise über eine Variation der Energiezufuhr durch die Treiberschaltungen 26 bis 31, 26a bis 28a in einer geeigneten Regelschleife erfolgen.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglichen die Erzeugung nahezu beliebiger Spannungs- und Stromverläu­ fe, insbesondere steilflankiger Pulse mit hoher Amplitu­ de. Die Einrichtung, ist modular aus nahezu identischen Baugruppen zusammengesetzt, an deren Elemente nur gerin­ ge Anforderungen gestellt werden. Die Herstellkosten dieser Einrichtungen sind daher niedriger als diejenigen herkömmlicher Leistungs-Pulsgeneratoren, an deren Schaltelemente hohe Anforderungen bezüglich Schaltge­ schwindigkeit und Pulsbelastbarkeit gestellt werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Spannungs- oder Strom­ pulsen, insbesondere zum Einsatz für Laser, mit ei­ nem Energiespeicher und mit mindestens einem Schalt­ element, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiespeicher ge­ koppelte Schwingkreise (1 bis 6; 1a bis 3a) vorgese­ hen sind, in die über mehrere Schaltelemente (26 bis 31; 26a bis 28a) Energie derart einkoppelbar ist, daß die Amplitude der Spannungsverläufe an den Schwingkreiskapazitäten (7 bis 12; 7a bis 9a) bzw. der Stromverläufe durch die Schwingkreisinduktivitä­ ten (13 bis 18; 13a bis 15a) Fourierkoeffizienten einer Entwicklung des geforderten Ausgangssignals nach den Resonanzfrequenzen der Schwingkreise (1 bis 6; 1a bis 3a) entsprechen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkreise (1 bis 6) in Serie geschaltet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkreise (1a bis 3a) parallel geschaltet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Induktivitäten (13 bis 18; 13a bis 15a) der Schwingkreise (1 bis 6; 1a bis 3a) Energieeinkopplungselemente (19 bis 24; 19a bis 21a) parallel geschaltet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkreise (1 bis 6; 1a bis 3a) mit den zugehörigen Schaltelementen (26 bis 31; 26a bis 28a) und Ansteuerschaltungen zu weitgehend identischen Baugruppen zusammengefaßt sind.