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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Hochspannungs- und Hochfrequenz-Impulsgenerator.
Sie betrifft auch eine mit einem solchen Generator ausgerüstete elektrische
Versorgung.
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Unter
Impulsgenerator versteht man einen Generator, der fähig ist,
Spannungsimpulse zu liefern, insbesondere Schwingungsimpulse. Diese
Impulse sind im Rahmen der Erfindung Impulse in Form eines Hochfrequenzsignals,
geliefert unter Hochspannung während
kurzen Dauern und mit einer hohen Folgefrequenz. Noch genauer ist
die Erfindung bestrebt, zum Beispiel Impulse mit mehreren hundert Megahertz
unter mehreren hundert Volt zu liefern, deren Dauer ungefähr hundert
Nanosekunden und deren Folgefrequenz mehrere zehn Kilohertz beträgt.
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Die
Erfindung findet ihre Anwendung insbesondere bei der elektrischen
Versorgung und der Steuerung elektrooptischer Kristalle in Vorrichtungen wie
Modulatoren oder optischen Schaltern.
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Stand der
Technik
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Die
bekannten Impulsgeneratoren, die fähig sind Schwingungssignale
mit Frequenzen über
100 MHz und einer Amplitude über
100 Volt zu liefern, vereinigen generell einen Niederspannungsoszillator und
einen Hochspannungsresonanzverstärker.
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Die
Niederspannungsoszillatoren werden zum Beispiel um einen Schwingkreis
herum, der eine Kapazität
und eine Induktivität
umfasst, oder eventuell um einen Quarzkreis herum gebaut. Sie liefern
ein Schwingungssignal mit hoher Frequenz aber kleiner Amplitude.
Man geht hier davon aus, dass eine kleine Signalamplitude eine Spannungsamplitude
unter 100 Volt ist.
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Der
Schwingkreis der Niederspannungsoszillatoren kann einem Transistorenverstärker zugeordnet
werden, der auch bei niedriger Spannung funktioniert. Der Verstärker ist
zum Beispiel vom Typ Bipolartransistor oder vom Typ Feldeffekttransistor.
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Um
Signale mit einer großen
Amplitude zu erhalten, wird das von dem Niederspannungsoszillator
stammende Signal an einen Hochspannungsresonanzverstärker geliefert.
Ein solcher Verstärker,
fähig Signale
mit einer Amplitude von mehreren hundert Volt zu liefern, umfasst
generell einen Verstärkungsresonator.
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Eine
erste Antenne, angeordnet in dem Resonator, ist mit dem Niederspannungsverstärker verbunden
und sendet in dem Resonator ein elektromagnetisches Impulsfeld mit
hoher Frequenz aus. Dieses Feld wird von einer Last empfangen, die
ebenfalls in dem Resonator angeordnet ist und die gewissermaßen eine
Empfangsantenne bildet. Die Last ist zum Beispiel ein elektrooptischer
Kristall.
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Wenn
die Frequenz des in die erste Antenne eingespeisten Signals ungefähr der Resonanzfrequenz
des Resonators entspricht, wird das elektromagnetische Feld in dem
Resonator verstärkt.
Auf diese Weise wird an den Anschlüssen der Last eine gepulste
Hochfrequenzschwingungsspannung erzeugt, deren Amplitude größer als
diejenige des in die erste Antenne eingespeisten Signals ist. Bei
einem solchen Generator wird die Betriebsfrequenz folglich von der
Form und den Abmessungen des Resonators diktiert, die seine Resonanzfrequenz
festlegen.
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Der
beschriebene Resonator weist eine bestimmte Anzahl von Schwierigkeiten
und Beschränkungen
auf, die in der Folge dargestellt werden.
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Eine
erste Schwierigkeit betrifft die Langsamkeit des Generators. Das
in dem Resonator erzeugte elektrische Feld hat anfänglich eine
kleine Amplitude und benötigt
eine gewisse Anzahl von Schwingungen, ehe das an die Anschlüsse der
Last gelieferte Ausgangsignal die gewünschte Amplitude aufweist.
Die Anlauflangsamkeit verursacht folglich Wärmeabstrahlungs- bzw. -abführungsprobleme,
da nämlich
die während
des Anlaufens übertragene
Energie bei jedem neuen Impuls in der Last in Wärme umgesetzt wird, ohne dass
das Ausgangsnutzsignal verfügbar
ist.
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Eine
zweite Schwierigkeit besteht darin, die Phase des durch die Last
empfangenen Signals zu kontrollieren. Dieses Signal hängt nicht
nur vom Jitter des Niederspannungsoszillators ab, sondern auch von
dem des Resonators. Der Jitter des Hochspannungsausgangssignals
wird durch die oben erwähnte Anlauflangsamkeit
noch verstärkt.
Nun ist aber erwiesen, dass bei Anwendungen, die Hochfrequenz-Schwingungssignale
erfordern, insbesondere mit Frequenzen von mehreren hundert Megahertz, ein
Jitter von weniger als einer Nanosekunde oft unerlässlich ist.
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Eine
dritte Schwierigkeit ist mit der Tatsache verbunden, dass die Frequenz
des gelieferten Signals nicht leicht modifiziert werden kann. Wie
oben angegeben, wird die Frequenz des Ausgangssignals durch die
Resonanzfrequenz des Resonators festgelegt, das heißt durch
seine Form und seine Abmessungen. Es ist folglich unmöglich, bei
einer einzigen in dem Resonator vorgesehenen Last ein elektrisches
Signal zu erhalten, das die Zusammensetzung mehrerer Schwingungsfrequenzen
ist. Gegenwärtig kann
eine Multipelfrequenzsteuerung eines optischen Systems mit einem
elektrooptischen Kristall nur mittels einer optischen Kopplung stattfinden:
eine Vielzahl von Kristallen werden optisch in Serie geschaltet
und jeder wird durch einen anderen Resonator versorgt, der jeweils
im Monofrequenzbetrieb arbeitet. Dabei gibt es große Zwänge bezüglich des Transports
der Lichtstrahlen, der Ausrichtung der Kristalle oder der Regelung
der Phasenverschiebungen zwischen den verschiedenen Schwingungsfrequenzen
der verschiedenen Resonatoren.
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Weitere
Schwierigkeiten sind mit der Größe und dem
Gewicht der Generatoren verbunden. Diese beruhen hauptsächlich auf
der Größe und dem
Gewicht der Resonatoren. Schließlich
erfordert der Einsatz der oben beschriebenen Vorrichtungen delikate mechanische
Einstellungen vor ihrer Inbetriebnahme.
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Zusätzliche
Informationen bezüglich
des Stands der Technik zeigen dem Fachmann weitere Beispiele von
Hochspannungs- und Hochfrequenzimpulsgeneratoren sowie Installationsbeispiele
von Schwingkreisen. Diese Informationen sind in den Dokumenten
DE 4119738 A1 und
US 4429694 enthalten.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
Erfindung hat die Aufgabe, einen Impulsgenerator vorzuschlagen,
der die oben beschriebenen Beschränkungen und Schwierigkeiten
nicht aufweist.
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Insbesondere
besteht die Aufgabe darin, einen Generator vorzuschlagen, der fähig ist,
gepulste Hochfrequenzschwingungssignale mit hoher Spannung und hoher
Folgefrequenz zu liefern, wobei die Folgefrequenz hier als die Erneuerungsfrequenz
der Schwingungsimpulse verstanden wird.
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Eine
weitere Aufgabe besteht darin, einen Generator mit niedrigem Gewicht
und kleinen Abmessungen vorzuschlagen.
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Eine
zusätzliche
Aufgabe ist es, einen Generator mit einem schwachen Jitter vorzuschlagen,
um die Phase des gepulsten Signals mit größerer Genauigkeit kontrollieren
zu können.
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Noch
eine Aufgabe besteht dann, einen Impulsgenerator vorzuschlagen,
der beim Anlaufen eine im Vergleich mit den bekannten Generatoren
extrem kleine Verzögerung
aufweist.
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Schließlich hat
die Erfindung noch die Aufgabe, eine elektrische Versorgung vorzuschlagen,
die mit einem solchen Generator ausgerüstet ist.
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Um
diese Aufgabe zu erfüllen,
hat die Erfindung einen Impulsgenerator zum Gegenstand, der umfasst:
- – wenigstens
einen Schalttransistor zum Liefern der Ausgangsimpulse einer Hochspannungsversorgungsquelle,
- – einen
ersten und einen zweiten Schwingkreis, verbunden mit einem Ansteuerungsanschluss des
Transistors, um einen Schwingungsschaltbetrieb des Transistors zu
steuern, und
- – Schwingungsauslösungseinrichtungen,
einen Auslösungsimpulsgenerator
umfassend, der verbunden ist mit dem Ansteuerungsanschluss des Transistors
und mit induktiven Anregungseinrichtungen, die den Transistor mit
einem Hochspannungsanschluss der Hochspannungsquelle verbinden.
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Der
Impulsgenerator kann einen einzigen oder mehrere miteinander verbundene
Transistoren umfassen, die fähig
sind, hohe Spannungen zu schalten. Es handelt sich zum Beispiel
um einen MOSFET-Transistor, der fähig ist, Spannungen der Größenordnung
500V zu schalten. Obwohl mehrere Transistoren benutzt werden können, bezieht
sich die nachfolgende Beschreibung aus Gründen der Vereinfachung auf
einen einzigen Transistor. Dieser kann gegebenenfalls als ein Transistor
verstanden werden, der aus der Vereinigung mehrerer Transistoren
resultiert.
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Der
Auslösungsimpulsgenerator
ermöglicht eine
sehr schnelle erste Schaltung des Transistors und folglich eine
maximale Reduzierung eventueller thermischer Abstrahlungen bzw.
Umsetzungen bzw. Übergänge in einer
mit dem Generator verbundenen Last.
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Nach
der Erfindung umfassen die Schwingungsauslösungseinrichtungen, die in
der Folge detaillierter beschrieben werden, zusätzlich zu dem Impulsgenerator
einen Energieakkumulator, zum Beispiel in Form einer Induktivität.
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Der
Auslösungsimpulsgenerator
ermöglicht, den
Transistor abrupt aus einem Leitzustand in einen Sperrzustand zu
versetzen. Die mit dem Transistor verbundene Induktivität ermöglicht dann,
als Reaktion auf die Sperrung des Transistors eine Übergangs-Überspannung zu liefern, die
ausreicht, um die Schwingung auszulösen. Die Schwingung wird in dem
ersten und dem zweiten Schwingkreis ausgelöst, die ihrerseits den Transistor
steuern.
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Dank
der Schwingungsauslöseinrichtungen kann
man den Auslösungszeitpunkt
der Schwingungen sehr genau beherrschen, so dass der Jitter des Ausgangssignals
sehr klein ist. Mit einem erfindungsgemäßen Generator kann man leicht
einen Jitter unter einer Nanosekunde erzielen. Zudem kann man sofort
eine Schwingung mit einer Nennamplitude erhalten.
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Nach
der Erfindung sind die beiden Schwingkreise mit einem Ansteuerungsanschluss
des Transistors verbunden, im vorliegenden Fall mit seinem Gate,
um den Schaltzustand dieses letzteren zu steuern. Ein erster Schwingkreis
kann zum Beispiel zwischen Source und Gate des Transistors und der zweite
zwischen Drain und Gate des Transistors geschaltet sein. Bei einer
solchen Schaltung dient einer der Schwingkreise im Wesentlichen
dazu, die Frequenz der Schwingungen festzulegen, während der zweite
Schwingkreise im Wesentlichen dazu dient, die Energie der Hochspannungsquelle
zum Gate zu übertragen.
Diese spezielle Realisation wird auch in der Folge des Textes beschrieben.
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Ein
optimales Funktionieren des Generators erhält man, wenn der erste und
der zweite Schwingkreis auf eine selbe Resonanzfrequenz abgestimmt sind.
Diese Frequenz, die auch die Frequenz der Ausgangsimpulse des Generators
bestimmt, kann sehr leicht angepasst werden durch die Wahl oder
die Einstellung der Bauteile der Schwingkreise. Insbesondere dann,
wenn die Schwingkreise eine Kapazität oder eine Induktivität umfassen,
ermöglicht
der einfache Austausch eines Kondensators oder einer Wicklung, die
Frequenz einzustellen. Die verwendeten Kondensatoren oder Wicklungen
können
auch Bauteile mit einstellbaren bzw. anpassbaren Werten sein.
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Nach
einem anderen Aspekt der Erfindung kann der Generator eine Ausgangskapazität umfassen,
die den Transistor mit einem Ausgangsanschluss verbindet, um die
Impulse auf diesen Anschluss zu leiten. Eine solche Kapazität, zum Beispiel durch
einen Kondensator realisiert, ermöglicht, die Gleichstromkomponenten
des Signal zu filtern, und ermöglicht,
dem Generator eine hohe Ausgangsimpedanz zu verleihen.
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Die
Charakteristik einer hohen Impedanz ist in dem Maße besonders
vorteilhaft, wie sie die Verbindung einer Vielzahl von unabhängig voneinander arbeitenden
Generatoren mit einer selben Last zulässt. So ist es möglich, in
die Last ein elektrisches Multifrequenzsignal einzuspeisen, das
eine Zusammensetzung von mehreren Signalen mit unterschiedlichen
Frequenzen ist.
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Die
Möglichkeit,
einen einzigen bzw. einzelnen Kristall mit einem Multifrequenzsignal
zu versorgen, löst
die Probleme, die mit der Installierung einer Vielzahl von Kristallen
in einer selben Lichtbahn verbunden sind.
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Die
Phasenverschiebung zwischen den verschiedenen in einen selben Kristall
eingespeisten Signalen kann außerdem
sehr einfach angepasst werden, indem man die Schwingungsauslösimpulse
der verschiedenen Generatoren entsprechend verschiebt.
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Die
Erfindung betrifft auch eine elektrische Versorgung, wie beschrieben.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, die sich auf die einzige Figur der beigefügten Zeichnung
bezieht. Diese Beschreibung dient nur der Erläuterung und ist nicht einschränkend.
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Detaillierte Beschreibung
von besonderen Anwendungsarten der Erfindung.
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Die
einzige Figur ist ein vereinfachter Schaltplan einer mit einem erfindungsgemäßen Impulsgenerator
ausgerüsteten
elektrischen Versorgungsschaltung einer Last.
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Der
Herzstück
des Generators der 1 ist ein MOSFET-Leistungstransistor 10 mit
einer Source 12, einem Drain 14 und einem Gate 16.
Die Source 12 ist mit einem Masseanschluss 20 und
der Drain 14 ist mit einem Hochspannungsanschluss 22 einer Hochspannungsquelle 24 verbunden.
Der Drain ist genaugenommen mit dem Hochspannungsanschluss 22 durch
eine induktive Verbindung verbunden, das heißt in dem Beispiel der Figur
durch eine Wicklung 26. Diese Wicklung wird in der Folge
der Beschreibung auch als Erregerwicklung bezeichnet.
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Ein
Koaxialkabel 30, das hier den Ausgang der Versorgung bildet,
hat Belegungen, die jeweils mit der Source und dem Drain des Transistors
verbunden sind. Es ermöglicht,
die durch die Versorgung gelieferten elektrischen Impulse zu einer
Last 32 zu übertragen.
Das Koaxialkabel, das eine angepasste Impedanz aufweist (zum Beispiel
50 Ω),
ermöglicht insbesondere,
die Versorgung mit einer elektrischen Last 32 mit einem
gewissen Abstand zu verbinden.
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Die
Verbindung zwischen der Versorgung und der elektrischen Last 32 kann
eine kurze direkte Verbindung sein, durch einen einfachen Draht
oder eventuell durch einen Schwingkreis zum Beispiel des LC-Typs
(Induktivität-Kapazität), abgestimmt
auf die Frequenz der Schwingungen des durch die Versorgung gelieferten
Signals. Das Schwingungssignal kann dann wieder verstärkt werden,
bevor es an die Last angelegt wird.
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Man
kann außerdem
beobachten bzw. feststellen, dass zwischen dem Drain 14 des
Transistors 10 und dem Koaxialkabel 30 ein Verbindungskondensator 34 vorgesehen
ist. Der Kondensator 34 hat im Wesentlichen eine Filteraufgabe,
um die Niederfrequenzkomponenten und eine Gleichstromkomponente
des durch die Versorgung gelieferten Signals zu eliminieren. Ebenfalls
verleiht er dem Ausgang eine hohe Impedanz. Der Wert des Kondensators wird
zum Beispiel so gewählt,
dass er nur Frequenzen über
10 MHz durchlässt.
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Der
Impulsgenerator umfasst zwei Schwingkreise 40 und 50.
Der erste Schwingkreis 40, mit Hauptschwingkreis bezeichnet,
wird durch eine Wicklung 42 und einen Kondensator 44 gebildet,
die in Serie geschaltet sind, in dieser Reihenfolge, zwischen dem
Gate 16 des Transistors 10 und seiner Source 12.
Er legt im Wesentlichen die Schwingfrequenz des Generators fest.
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Außerdem ist
eine Spitzenbeschneidungseinrichtung 49 parallelgeschaltet
zwischen dem Gate und der Source des Transistors, um die Gate-Source-Spannung
auf einen Maximalwert zu begrenzen, der durch die Kennwerte des
Transistors bestimmt wird. Die Spitzenbeschneidungseinrichtung ist
zum Beispiel eine bidirektionale Transildiode.
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Ein
zweiter Schwingkreis 50, als Energietransferkreis bezeichnet,
hat eine Resonanzfrequenz, die auf die des Hauptschwingkreises 40 abgestimmt
ist. Der zweite Schwingkreis 50 umfasst eine Wicklung 52 und
einen Kondensator 54, die in dieser Reihenfolge zwischen
dem Gate 16 des Transistors und dem Drain 14 geschaltet
sind.
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Um
die Beschreibung des Schaltplans abzuschließen, kann man einen Energiespeicherkondensator 27 erwähnen, der
zwischen der Source 12 und dem Drain 14 des Transistors 10 und
einem Auslösungsimpulsgenerator 60 geschaltet
ist, der zwischen der Source 12 und dem Gate 16 des
Transistors mit einem Gatepotential-Stabilisierungswiderstand 70 in
Serie geschaltet ist.
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Nun
soll die Funktionsweise einer dem beschriebenen Schaltplan entsprechenden
Versorgung beschrieben werden.
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Der
Auslösungsimpulsgenerator 60 ist
fähig, periodisch
Spannungsimpulse von kurzer Dauer zu liefern, typisch in der Größenordnung
von 100 ns, die Auslösungs-
und Synchronisationsimpulse bilden. Die Frequenz der Auslösungsimpulse
entspricht der Schwingungsimpulsfolgefrequenz der Schwingungsimpulse,
die der Impulsgenerator liefern soll.
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Zu
einem Anfangszeitpunkt, der einem ersten Auslösungsimpuls vorausgeht, ist
die durch den Impulsgenerator 60 gelieferte Spannung null.
Der Transistor 10 befindet sich dann einem Sperrzustand (off
und die Ausgangsspannung der Versorgung ist null.
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Während eines
ersten Auslösungsimpulses geht
die durch den Auslösungsimpulsgenerator 60 gelieferte
Spannung auf einen Hochpegel und wird über den Widerstand 70 an
den Transistor 10 gelegt, um ihn in einen Leitzustand (on)
zu versetzen. In diesem Zustand fließt ein Strom durch den Transistor und
durch die mit dem Transistor in Serie geschaltete Erregerwicklung 26,
zwischen den Anschlüssen
der Hochspannungsquelle 24.
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Am
Ende des ersten Impulses des Auslösungsimpulsgenerators fällt die
Spannung dieses Generators auf Null zurück. Die Spannung des Transistorgates
folgt jedoch nicht unmittelbar der Entwicklung dieser Spannung.
Eine Gatekapazität
des Transistors (intern) entlädt
sich nämlich
langsam durch den Stabilisierungswiderstand 70.
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Während dieser
Entladung, sobald die Gate-Source-Spannung des Transistors unter
eine Auslösungsschwellenspannung
des Transistors fällt, geht
der Transistor wieder in den gesperrten Zustand über.
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Der
durch die Erregerwicklung 26 fließende Strom wird also abrupt
unterbrochen. Dies führt
zu einer schnellen und starken Spannungsänderung an den Anschlüssen der
Wicklung. Diese Spannungsänderung
erregt dann die Schwingkreise 40 und 50, die vorzugsweise
auf eine selbe Resonanzfrequenz abgestimmt sind.
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Zu
diesem Zeitpunkt liegt die Gatespannung des Transistors wegen der
langsamen Entladung durch den Stabilisierungswiderstand 70 hindurch noch
nahe bei der Leitzustandschwelle. Die Schwingungen der Schwingkreise 40, 50 liegen
am Gate des Transistors und werden folglich durch diesen verstärkt. Daraus
resultiert, dass die Drain-Source-Spannung
mit einer Resonanzfrequenz schwingt, die durch die Schwingkreise
bestimmt wird.
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Die
durch die Hochspannungsquelle 24 gelieferte Energie und
die in dem zwischen Source und Drain geschalteten Kondensator 27 gespeicherte
Energie sowie diejenige der Wicklung 26 ermöglichen, Schwingungen
der Drain-Source-Spannung mit großer Amplitude zu erzielen.
Diese Hochspannungs- und Hochfrequenzschwingungen werden direkt
zum Ausgang übertragen.
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Die
Schwingung der Drain-Source-Spannung des Transistors 10 wird
direkt an die Resonanz- bzw. Schwingkreise 40 und 50 gelegt,
die jeweils mit der Source 12 und dem Drain 14 verbunden
sind. Derart werden die Schwingungen aufrechterhalten, wenigstens
solange sich die Gate-Source-Spannung nahe der Leitschwelle des
Transistors bewegt. Der Wert des Stabilisierungswiderstands 70,
durch den sich die transistor-interne Gate-Source-Kapazität des Transistors
entlädt,
ermöglicht
also, die Dauer der Periode der Schwingungen festzulegen, das heißt der Dauer
der Impulse.
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Die
Frequenz der Schwingungen wird durch die Werte der Kapazitäten und
Induktivitäten
der Schwingkreise bestimmt, während
ihre Amplitude durch den Wert der Spannung der Hochspannungsquelle 24 und
durch die Kapazität
des zwischen Drain und Source des Transistors geschalteten Kondensators 27 bestimmt
wird.
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Entsprechend
eines nur der Erläuterung
dienenden Realisierungsbeispiels ist es möglich, mit folgenden Bauteilen
und Werten Impulse mit einer Dauer von 70 ns und einer Frequenz
von 250 MHz zu erzeugen:
C(54) = 100 pF
L(52) = 10 nH
C(27)
= 47 pF
C(44) = einstellbar von 2 bis 18 pF
L(42) = 70
nH
C(34) = einstellbar von 2 bis 18 pF
R(70) = 100 Ω
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Die
Impulsfolgefrequenz ist die des Generators 60, also 20
kHz in diesem speziellen Realisierungsbeispiel.
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Wenn
die Gate-Source-Spannung wesentlich niedriger wird als Leitzustand-Schwellenspannung,
geht der Transistor vollständig
in den Sperrzustand über
und das Schwingungsphänomen
pausiert bis zu einem nächsten
durch den Generator 60 gelieferten Auslösungsimpuls. Dabei geht das
Ausgangssignal auf null Volt zurück.
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In
der Figur ist nur eine einzige Versorgung für die Last 32 dargestellt,
jedoch ist es ohne weiteres möglich,
mehrere verschiedene Versorgungen anzuschließen, da dieser Anschluss keine
mechanische Einstellung erfordert.
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Der
Anschluss mehrerer Versorgungen wird erleichtert, wenn diese dank
dem Verbindungskondensator 34 eine hohe Ausgangsimpedanz
aufweisen.