DE68926472T2

DE68926472T2 - Hochspannungspulserzeugungsgerät

Info

Publication number: DE68926472T2
Application number: DE68926472T
Authority: DE
Inventors: Paul A Beck; Arthur J Caya
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1988-03-14
Filing date: 1989-03-09
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2009-03-10
Also published as: US4831280A; EP0333380A2; EP0333380A3; EP0333380B1; DE68926472D1; JP3055904B2; JPH01272313A

Description

Die Erfindung betrifft Geräte zur Erzeugung Impulse hoher Spannung auf einer Ausgangsleitung.
Die US-A-4467224 beschreibt ein derartiges Gerät, welches dazu dienen soll, eine Hochspannungsquelle über ein Koaxialkabel. an eine Kathodenstrahlröhre zu legen. Die Hochspannungsquelle ist an die Ausgangsstufe des Gerätes angeschaltet, welches aus einer Serienanordnung von zwei MOSFET-Bauelementen und zwei Widerständen besteht. Eine Koaxialkupplung für die Koaxialleitung ist mit ihrem Innenleiter an einen Anschluß angeschaltet, der die jeweiligen Enden der beiden Widerstände verbindet, und ihr Außenleiter ist an einem Anschluß eines der MOSFET-Bauelemente mit Erde verbunden, welches ein N-Bauelement ist. Das andere MOSFET- Bauelement ist ein P-Gerät und ist mit einem Anschluß unmittelbar an den Hochspannungsanschluß der Hochspannungsquelle gelegt. Das Öffnen und Schließen des N-Gerätes wird durch verzögerte Impulse gesteuert, die von einer Quelle schmaler Videoimpulse abgeleitet werden. Das Öffnen und Schließen des P-Gerätes wird durch eine Kombination unterschiedlich verzögerter Impulse von der Quelle schmaler Videoimpulse gesteuert. Dies führt dazu, daß das P-Gerät immer dann nicht-leitend ist, wenn das N-Gerät leitend wird, und daß das N-Gerät immer dann nicht-leitend ist, wenn das P-Gerät leitend wird.
In einer Veröffentlichung mit dem Titel "Fast power FET switch tests rectifier performance" beschreibt H. Saladin auf den Seiten 192 und 193 von "Electronic Design", Band 31, Nr. 26, 22. December 1983, einen Schaltkreis mit einer ähnlichen Ausgangsstufe, in welchem das P-Gerät aus vier parallel liegenden MOSFET's mit p-Kanal besteht und das N- Gerät besteht aus vier parallel liegenden MOSFET's mit n- Kanal. Diese Ausgangsstufe kann zwischen Speiseanschlüsse gelegt werden, die +50 Volt bzw. -50 Volt und Ströme uber 50 Ampere liefern.
Bei manchen Pulsradarsystemen werden Spannungsimpulse an ein Steuerelement eines Klystrons oder einer Leistungs- Mikrowellenröhre geführt, um die auszusendenden Radarimpulse zu erzeugen. Es müssen Hochspannungsimpulse verwendet werden, um ausreichend leistungsstarke Radarsendeimpulse zu erzeugen. In einem typischen Pulsradarsystem, das eine gittergesteuerte Röhre verwendet, können die an das Steuerelement geführten Impulse Amplituden von Scheitel zu Scheitel von mehreren hundert Volt haben. Es ist daher eine Schaltung erforderlich, welche Impulse hoher Spannung erzeugt.
Typischerweise wird zunächst eine Niederspannungsimpulsfolge erzeugt, welche die für die ausgesendeten Radarimpulse erwünschte Impulswiderholungsfrequenz und die erwünschte Impulsdauer aufweist. Verhältnismäßig allgemein bekannte Digitallogik kann dazu verwendet werden, die Niederspannungsimpulsfolge zu erzeugen, welche dann in die erforderliche Folge von Hochspannungsimpulsen durch einen hochtransformierenden Transformator oder durch eine Kombination von hochtransformierenden Transformatoren umgesetzt wird. Die Verwendung eines oder mehrerer aufwärtstransformierender Transformatoren zur Erzeugung der Hochspannungsimpulse bedingt verschiedene Einschränkungen. Zunächst haben die Transformatoren im allgemeinen feste beschränkte Bandbreiten, so daß ein Pulsradarsystem, welches Transformatoren zum Aussenden der Radarimpulse mit einer Impulswiederholungsfrequenz einsetzt, nicht zur Aussendung von Radarimpulsen mit einer wesentlich unterschiedlichen Impulswiederholungsfrequenz verwendet werden kann. Zum zweiten sind Transformatoren im allgemeinen bezüglich des Tastungsverhältnisses beschränkt und lassen nicht Signale mit hohem Tastungsverhältnis durch. In Pulsdopplerradarsystemen müssen zur genauen Verfolgung schneller Zielobjekte hohe Impulswiederholungsfrequenzen verwendet werden. Das maximale Tastungsverhältnis der Transformatoren begrenzt die maximale Pulswederholungsfrequenz für eine feste Impulsbreite und demgemäß die Maximalgeschwindigkeit eines Zielobjektes, welches genau verfolgt werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Unter Berücksichtigung des soeben beschriebenen Hintergrundes ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Gerät zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Gerät zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen bei hohen Impulswiederholungsfrequenzen zu schaffen.
Schließlich ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Gerät zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen mit hohen Tastungsverhältnissen und einer hohen Impulswiederholungsfrequenz zu schaffen.
Diese und weitere Aufgaben werden durch ein Gerät zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen auf einer Ausgangsleitung erfüllt, wobei das Gerät folgendes enthält:
a) Mittel zur Erzeugung von Impulsen niedriger Spannung mit der gewünschten Impulswiederholungsfrequenz und dem gewünschten Tastverhältnis;
b) erste Steuermittel, welche auf die Mittel zur Erzeugung der Impulse niedriger Spannung ansprechen, zur Betätigung eines ersten Schalters im Sinne der Verbindung der Ausgangsleitung mit einer Quelle hoher positiver Spannung, wenn der erste Schalter im geschlossenen Zustand ist, und im Sinne einer Trennung der Ausgangsleitung von der Quelle hoher positiver Spannung, wenn sich der erste Schalter in einem Öffnungszustand befindet; und
c) zweite Steuermittel, welche auch auf die Mittel zur Erzeugung der Impulse niedriger Spannung ansprechen, zur Betätigung eines zweiten Schalters im Sinne einer Verbindung der Ausgangsleitung mit einer Quelle hoher negativer Spannung, wenn der zweite Schalter sich in geschlossenem Zustand befindet und zur Trennung der Ausgangsleitung von der Quelle hoher negativer Spannung, wenn der zweite Schalter sich in geöffnetem Zustand befindet, wobei die ersten und zweiten Steuermittel so aufgebaut sind, daß dann, wenn die Spannung auf der Ausgangsleitung sich von einer hohen negativen Spannung zu einer hohen positiven. Spannung ändern soll, der zweite Schalter sich öffnet, kurz bevor der erste Schalter sich schließt, und, wenn die Spannung auf der Ausgangsleitung sich von einer hohen positiven zu einer hohen negativen Spannung ändern soll, die Öffnung des ersten Schalters und die Schließung des zweiten Schalters im wesentlichen zum selben Augenblick erfolgen, und daß der zweite Schalter Mittel enthält, um die hohe negative Spannung auf der Ausgangsleitung zwischen dem Öffnen des zweiten Schalters und dem Schließen des ersten Schalters aufrechtzuerhalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird noch besser durch Bezugnahme auf die folgende ins einzelne gehende Beschreibung und die Zeichnungsfiguren verständlich, in welchen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Hochspannungsimpulsgenerators ist, der entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild der Ausgangsstufe des Hochspannungsimpulsgenerators von Fig. 1 wiedergibt;
Fig. 3A ein vereinfachtes Schaltbild des Leistungsverstärkers 28A von Fig. 1 darstellt;
Fig. 3B. ein vereinfachtes Schaltbild des Leistungsverstärkers 28B von Fig. 1 wiedergibt; und
Fig. 4 eine Diagrammdarstellung zeigt, welche die relative zeitliche Beziehung der Spannungsimpulse im Hochspannungsimpulsgenerator darstellt, der als Blockschaltbild in Fig. 1 wiedergegeben ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In Fig. 1 ist ein Hochspannungsmodulator dargestellt, welcher sich aus folgenden Teilen aufbaut:
einem Rechteckwellengenerator 10, der zur Erzeugung von Signalen mit einstellbaren Tastungsverhältnissen bei unterschiedlichen wiederholungsfrequenzen ausgebildet ist;
b) einem Paar von Schalttransistoranordnungen 36 und 38, welche entweder eine hohe positive Spannung oder eine hohe negative Spannung an eine Ausgangsleitung Vo legen können; und
c) einer Schalterbetätigungsschaltung 24, 28A, 28B, 30, 32, welche optisch mit dem Rechteckwellengenerator 10 gekoppelt ist, um Betätigungssignale für das Paar von Schalttransistoranordnungen 36 und 38 in Entsprechung mit den Ausgangssignalen des Rechteckwellengenerators 10 zu erzeugen, wobei die Schalterbetätigungsschaltung weiter so ausgebildet ist, daß die Zeit, während welcher die hohe positive Spannung und die hohe negative Spannung gleichzeitig an die Ausgangsleitung Vo gelegt sind, auf ein Minimum reduziert ist.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Generators fur Hochspanntingsimpulse hoher Impulswiederholungsfrequenz entsprechend den hier angegebenen Grundgedanken der Erfindung. Niederspannungsschaltkreise 10 erzeugen eine Folge von Niederspannungsimpulsen mit der gewünschten Impulswiederholungsfrequenz und dem gewünschten Tastverhältnis. Eine Faseroptikverbindung 22 koppelt die Impulsfolge an die Hochspannungsschaltkreise 20 an. Die Hochspannungsschaltkreise verstärken die Impulsfolge zur Bildung der Hochspannungsimpulse. Der Ausgang der Hochspannungsschaltkreise 20 betreibt irgendeinen Verbraucher 52. Gemäß einem vorgeschlagenen Verwendungszweck des Generators für Impulse hoher Spannung und hoher Pulswiederholungsfrequenz stellt der Verbraucher 52 eine gittergesteuerte Klystronröhre dar.
Die Niederspannungsschaltkreise 10 enthalten weitestgehend im Handel erhältliche Transistor-Transistor-Logik-Bauteile (TTL). Die TTL-Bauteile können verwendet werden, da die Faseroptikverbindung 22 die Niederspannungsschaltkreise 10 von den hohen Speisespannungen isoliert, welche in den Hochspannungsschaltkreisen 20 verwendet werden. Der Generator 12 für die Niederspannungsimpulse bildet die Folge von Impulsen niedriger Spannung unter Einsatz bekannter Techniken zur Erzeugung einer Impulsfolge. Beispielsweise ist die Verwendung von Digitalzählern in Verbindung mit einem Kristalloszillator eine allgemein bekannten Methode zur Erzeugung einer Impulsfolge.
Die Treiberschaltung 14 verbindet den Generator für die Niederspannungsimpulse mit einer Faseroptikverbindung 22, in welcher jeder Niederspannungsimpuls in einen Lichtimpuls umgeformt wird. Die Mittel zur Umwandlung der elektrischen Impulse in Lichtimpulse und zur Ankopplung der Lichtimpulse an eine Faseroptikverbindung sind in der Technik bekannt. Vorliegend kann ein Bauteil mit der Teilenummer QFBR-1496 von Fa. Hewlett-Packard, Pab Alto, Californien, verwendet werden.
Die Faseroptikverbindung 22 entkoppelt elektrisch die Niederspannungsschaltkreise 10 von den Hochspannungsschaltkreisen 20. Demgemäß können die Speisespannungen, die zum Betrieb der Niederspannungsschaltkreise 10 verwendet werden, auf eine beliebige geeignete Spannung bezogen werden. Die Spannungen in den Hochspannungsschaltkreisen 20 können auch auf irgendeine geeignete Spannung bezogen werden. Vorliegend haben die Hochspannungsschaltkreise 20 eine -300V- Spannungsquelle (Element A in Fig. 1) bezogen auf "Erde" (hier bezieht sich "Erde" auf eine beliebige Spannung, welche als Kathodenpotential der Mikrowellenröhre yerwendet wird), eine +300V-Spannungsquelle, bezogen auf Erde (Element 13 von Fig. 1), eine +5V-Spannungsquelle, bezogen auf die -300V-Spannungsquelle (nicht dargestellt), eine +16V-Spannungsquelle, bezogen auf die -300V-Spannungsquelle (Element D von Fig. 38), eine +5V-Spannungsquelle, bezogen auf eine Ausgangsleitung Vo (nicht dargestellt), und eine +16V-Spannungsquelle, bezogen auf die Ausgangsleitung Vo (Element C von Fig. 3A).
Die Treiberschaltung 24 empfängt die Lichtimpulse von der Faseroptikverbindung 22 und wandelt diese Lichtimpulse in Spannungsimpulse um (bezogen auf die -300V-Gleichstrom- Spannungsquelle, jedoch auf einem verhältnismäßig niedrigen Spannungswert, vorliegend annähernd 5V). Die Mittel zur Umwandlung der Lichtimpulse in Spannungsimpulse sind in der Technik bekannt. Hier wird ein Bauteil mit der Teilenummer QFBR-2496 von der Fa. Hewlett-Packard verwendet.
Die Niederspannungsimpulse, bezogen auf -300V, am Ausgang der Treiberschaltung 24 werden aufgeteilt und werden, wie dargestellt, auf drei unterschiedlichen Wegen weitergeführt. Demgemäß werden diese Impulse als Eingaben an eine einstellbare Verzögerungsleitung 30 und einen Verzögerungsleitungs-Nebenschluß 32 gegeben und werden auch in Lichtimpulse zurückverwandelt und als Eingangsimpulse über eine Faseroptikverbindung 26 zu einem Leistungsverstärker 28A geführt. Nachdem die Impulse, auf die die Treiberschaltung 24 einwirkt, verhältnismäßig niedrige Spannung haben, obwohl sie auf -300V bezogen sind, können bekannte Niederspannungsschaltungen verwendet werden.
Der Leistungsverstärker 28A empfängt die Lichtimpulse von der Faseroptikverbindung 26 und setzt diese Impulse in Spannungsimpulse um. Die Impulse können auf dem Weg zum Leistungsverstärker 28A leicht verzögert werden, insbesondere wegen der Verzögerungen bei der Umwandlung der Spannungsimpulse aus Lichtimpulsen oder in Lichtimpulse. Diese Verzögerungen werden jedoch in der nachfolgend angegebenen Weise kompensiert. Die Impuls& befinden sich immer noch auf verhältnismäßig niedrigem Spannungsniveau, sind aber nun auf die Ausgangsleitung Vo der Schaltung bezogen. Der Leistungsverstärker 28A verstärkt dann die Spannungsimpulse von einer auf die Ausgangsleitung Vo bezogenen Scheiterspannung von etwa 5V auf eine Scheitelspannung um 16V, wel che weiterhin auf Vo bezogen sind. Weitere Einzelheiten des Aufbaus des Leistungsverstärkers 28A werden nachfolgend in Verbindung mit Fig. 3A angegeben.
Die einstellbare Verzögerungsleitung 30 empfängt auch Niederspannungsimpulse von der Treiberschaltung 24. Der Ausgang der einstellbaren Verzögerungsleitung 30 besteht dann aus 7eitverzögerten Niederspannungsimpulsen. Verzögerungsleitungen wie das Bauteil mit der Teilenummer LFIOML der Fa. Technitrol of Philadelphia, Pennsylvania, sind im Handel erhältlich. Das zuvor erwähnte, im Handel erhältliche Bauteil. besitzt Mehrfachanzapfungen, von denen der Ausgang abgenommen werden kann. Die Verbindung des Ausgangs der einstellbaren Verzögerungsleitung 30 mit einer bestimmten Anzapfung bestimmt die Verzögerung der einstellbaren Verzögerungsleitung 30.
Der Nebenschluß 32 zur Verzögerungsleitung empfängt ebenfalls die Niederspannungsimpulse von der Treiberschaltung 24, wobei die Niederspannungsimpulse durch den Verzögerungsleitungs-Nebenschluß 32 ohne jede wesentliche Verzögerung geleitet werden. Normale TTL-Schaltkreise, welche durch die auf die -300V-Spannungsquelle bezogene + 5V-Spannungsquelle gespeist werden, können zur Verwirklichung des Nebenschlusses 32 zur Verzögerungsleitung eingesetzt werden.
Die Ausgänge sowohl der einstellbaren Verzögerungsleitung 30 als auch des Nebenschlusses 32 zur Verzögerungsleitung sind Fingänge zu dem Leistungsverstärker 28B. Der Leistungsverstärker 28B hat einen Ausgang entsprechend einem logischen "TIEF" (d.h., einen negativen Impuls), wennimmer der Ausgang der einstellbaren Verzögerungsleitung 30 oder des Nebenschlusses 32 der Verzögerungsleitung (d.h., die Eingänge zum Leistungsverstärker 28B) ein logisches "HIGH" sind. Die Breite jedes Impulses am Ausgang des Leistungs verstärkers 28B ist mindestens so groß wie die jedes Impulses, der dem Leistungsverstärker 28B zugeführt wird. Der Ausgangsimpuls kann jedoch breiter sein, da die Zeitdauer, während weicher jeder der Eingänge HIGH ist, größer als die Zeitdauer ist, während der nur einer von ihnen HIGH ist.
Die relativen Breiten der Impulse sind weiter unten in Verbindung mit Fig. 4 behandelt.
Der Impuls am Ausgang des Leistungsverstärkers 28B hat einen Scheitelwert nahe 16V bezogen auf die -300V-Spannungsquelle A. Der Ausgang des Leistungsverstärkers 28B wird jedoch invertiert (d.h., er liegt nahe 16V, wenn kein Impuls vorhanden ist und nahe 0V, wenn ein Impuls vorhanden ist). Der Betrieb des Leistungsverstärkers 28B wird weiter unten in Verbindung mit Fig. 38 näher betrachtet.
Die von den Leistungsverstärkern 28A und 28B erzeugten Impulse treiben die Ausgangsstufe 34. Wenn der Ausgang des Leistungsverstärkers 28A HIGH ist, ist der Einschalter 36 geschlossen, wodurch die Ausgangsleitung Vo mit der +300V- Spannungsquelle B verbunden ist. Wenn der Ausgang des Leistungsverstärkers 28B HIGH ist, so ist der Ausschalter 38 geschlossen, wodurch die Ausgangsleitung Vo mit der -300V- Spannungsquelle A verbunden ist. Durch richtige Steuerung der Ausgänge der Leistungsverstärker 28A und 28B kann somit die Ausgangsleitung Vo zu einem Wechsel zwischen -300V und +300V veranlaßt werden. Die Einzelheiten der Ausgangsstufe 34 werden nachfolgend in Verbindung mit Fig. 2 angegeben.
Die Ausgangsleitung Vo ist mit einer Einrichtung 50 zur Unterdrückung von transienten Zuständen verbunden, die wiederum mit einem Verbraucher 52 verbunden ist. Die Einrichtung 50 zur Unterdrückung transienter Zustände schützt die Hochspannungsschaltung 50 vor Hochspannungsüberschlägen, die in dem Verbraucher 52 erzeugt werden. Vielerlei Arten von Einrichtungen zur Unterdrückung transienter Zustände sind in der Technik bekannt. Vorliegend wird eine Funkenstrecke, beispielsweise ein Bauteil mit der Nr. MLH-0500L von Fa. Reynolds Industries, Los Angeles, Californien, in Verbindung mit bestimmten Dioden und Widerständen verwendet.
Wendet man sich nunmehr Fig. 2 zu, so kann man Einzelheiten der Ausgangsstufe 34 erkennen. Der Einschalter 36 besteht aus dem MOSFET Q&sub1; und dem MOSFET Q&sub3; in Parallelschaltung. Die parallele Anordnung erhöht die Möglichkeit der Stromaufnahme des Schalters. Es wird die Aufnahme hoher Ströme notwendig, um den kapazitiven Blindwiderstand des Verbrauchers 52 auszugleichen und es dadurch der Schaltung zu ermöglichen, mit hohen Pulswiederholungsfrequenzen zu arbeiten.
Der Fachmann erkennt, daß die Widerstände R&sub4;, R&sub5;, R&sub6;, R&sub7;, R&sub8;, R&sub9;, die Kondensatoren C&sub5;, C&sub6; und die Dioden D&sub1; und D&sub3; zur Vorspannung der MOSFET's Q&sub1; und Q&sub3; dienen.
Der Ausschalter 38 besteht aus dem MOSFET Q&sub2; und dem MOSFET Q&sub4; in Parallelschaltung. Der Fachmann erkennt, daß die Widerstände R&sub2;&sub9;, R&sub3;&sub0;, R&sub3;&sub1;, R&sub3;&sub2;, R&sub3;&sub3;, R&sub3;&sub4;, Kondensatoren C&sub7;, C&sub8; und die Dioden D&sub2; und D&sub4; benötigt werden, um die MOSFET's Q&sub2; und Q&sub4; vorzuspannen Die MOSFET's Q&sub1;, Q&sub2;, Q&sub3; und Q&sub4; sind Leistungstransistoren, etwa das Bauelement BUZ53A, hergestellt von Fa. Siemens, Bundesrepublik Deutschland.
Die Auslegung der Ausgangsstufe 43 ermöglicht ein rasches Umschalten zwischen den Spannungsquellen von +300V mit -300V. Wenn der Einschalter 36 die + 300V-Spannungsquelle mit der Ausgangsleitung Vo verbindet, soll der Ausschalter 38 geöffnet sein (d.h., Q&sub2; und Q&sub4; sollten nicht-leitend sein). Wenn umgekehrt die Spannungsquelle von -300V mit der Ausgangsleitung Vo verbunden ist, sollte der Ausschalter 38 geschlossen sein und der Einschalter 36 sollte offen sein. Zur Erzeugung eines Impulses auf der Ausgangsleitung Vo mit kurzer Anstiegszeit sollte der Einschalter 36 präzise zum selben Moment geschlossen werden, zu dem der Ausschalter 38 öffnet. In entsprechender Weise sollte zur Erzeugung eines Impulses mit kurzer Abstiegsflanke der Einschalter 36 präzise zum selben Moment geöffnet werden, zu dem der Ausschalter 38 schließt.
Das Öffnen und Schließen des Einschalters 36 und des Ausschalters 38 kann jedoch nicht präzise zeitgesteuert werden. Das Schalten der Treiberschaltung 34 wird durch Signale aus den Leistungsverstärkern 28A und 28B (Fig. 1) gesteuert. Obwohl die Eingänge zu den beiden Leistungsverstärkern 28A und 28B (Fig. 1) von einer gemeinsamen Quelle abgeleitet werden, nämlich der Treiberschaltung 24 (Fig. 1), sind die Signalausbreitungsverzögerungen durch die Leistungsverstärker 28A und 28B (Fig. 1) nicht gleich. Eine Quelle der Unterschiede ist die Faseroptikverbindung 26 (Fig. 1). Selbst wenn die Steuersignale den Einschalter 36 und den Ausschalter 38 genau zum selben Zeitpunkt erreicht haben sollten, kann die in Fig. 2 gezeigte Transistorschaltung nicht augenblicklich die Schaltung vornehmen. Sowohl an der ansteigenden als auch an der abfallenden Impulsflanke eines Impulses ist an sich die Ausgangsstufe 34 in einem Zustand, in dem der Einschalter 36 und der Ausschalter 38 beide teilweise leitend sind. Der gleichzeitige Leitungszustand sowohl des Einschalters 36 als auch des Ausschalters 38 erzeugt zwei Probleme, welche sich anhand von Fig. 1 verständlich darstellen. Zum ersten vermindert der gleichzeitige Leitungszustand den Betrag des Stromflusses, der zur Überwindung des kapazitiven Blindwiderstandes des Verbrauchers 52 zur Verfügung steht. Diese Verminderung erhöht die erforderliche Zeit für die Ausgangsleitung Vo zur Umschaltung zwischen -300V und +300V, was wiederum die Bandbreite des Gerätes begrenzt. Wenn beispielsweise die Ausgangsleitung Vo von einer niedrigen Spannung auf eine hohe Spannung umschalten soll, so wird der kapazitive Blindwiderstand des Verbrauchers 52 durch Aufladung der Eingangskapazität des Verbrauchers 52 mit einem Strom ausgeglichen, der durch den Einschalter 36 fließt. Wenn der Ausschalter 38 gleichzeitig leitend ist, steht weniger Strom zur Aufladung des Verbrauchers 52 zur Verfügung und das Aufladen dauert längere Zeit. Zum zweiten bedeutet ein gleichzeitiger Leitungszustand, daß ein Strompfad niedriger Impedanz fur einen Stromfluß zwischen der + 300V-Gleichstromquelle B und der -300V-Gleichstromquelle A durch den Einschalter 36 und den Ausschalter 38 existiert. Der hieraus resultierende hohe Stromfluß kann die Stromaufnahmekapazität der genannten Schalter übersteigen und daher die Schalter beschädigen. Im allgemeinen haben Schalter, welche derart große Ströme aufnehmen können, langsame Schaltzeiten und können nicht zur Verwirklichung der Schalter 36 und 38 verwendet werden.
Fig. 4 zeigt die Impulsfolgen, welche zur Steuerung des Einschalters 36 und des Ausschalters 38 (Fig. 2) verwendet werden, wobei diese Impulsfolgen erfindungsgemäß dazu dienen, die schwierigkeiten eines gleichzeitigen Leitungszustandes zu verhindern, während doch ein rasches Umschalten zwischen den +300V- und -300V-Spannungsquellen ermöglicht wird. So ist etwa die Impulsfolge 400 der Ausgang der Treiberschaltung 24 (Fig. 1). Die Impulsfolge 402 ist der Ausgang der einstellbaren Verzögerungsleitung 30 (Fig. 1). Die Impulsfolge 402 ist fast identisch mit der Impulsfolge 400, doch ist jeder Impuls in der Impulsfolge 402 so, daß er um eine feste Verzögerung später als der Impuls in der Impulsfolge 400 auftritt. Die Impulsfolge 404 ist der Ausgang des Verzögerungsleitungs-Nebenschlusses 32 (Fig. 1),. und ist ebenfalls fast identisch mit der Impulsfolge 400. Die Impulsfolge 406 ist der Ausgang des Leistungsverstärkers 28B (Fig. 1). Es handelt sich um einen invertierten Impuls, der während eines Intervalls andauert, in dem ein Impuls entweder in der Impulsfolge 402 oder in der Impulsfolge 404 vorhanden ist. Die Impulsfolge 408 ist der Ausgang des Leistungsverstärkers 28A. Diese Impulsfolge ist sehr ähnlich der Impulsfolge 400, jedoch verstärkt und beachtlich verzögert aufgrund der Ausbreitungsverzögerung in der Faseroptikverbindung 26 (Fig. 1).
Die Impulsfolge 406 repräsentiert auch das Steuersignal für den Ausschalter 38 (Fig. 1). Die Impulsfolge 408 repräsentiert auch das Steuersignal für den Einschalter 36 (Fig. 1). Demgemäß stellen die Zeiten 441&sub1;, 411&sub2;, 411&sub3; die Zeiten dar, zu welchen die Ausgangsleitung Vo von -300V auf +300V umschaltet (d.h., einen LOW/HIGH-Übergang).
Man sieht aus Fig. 4, daß zwischen den Zeiten 410&sub1;, 410&sub2;, 410&sub3;, 411&sub1;, 411&sub2;, 411&sub3; unmittelbar vor jedem LOW/HIGH-Übergang, d.h. eine Anstiegsflanke der Spannung auf der Ausgangsleitung Vo (Fig. 1) weder das Signal, welches den Ausschalter 38 treibt, noch das Signal, welches den Einschalter 36 treibt, den Signalzustand HIGH hat. Nichtsdestotrotz liegt die Spannung auf der Ausgangsleitung Vo (Fig. 2) während jedes Intervalls noch bei -300V, da die Ausgangsleitung Vo über den Widerstand R&sub6;&sub3; (Fig. 2) mit der 300V-Spannungsquelle verbunden ist. Der Widerstand R&sub6;&sub3; (Fig. 2) hat einen ausreichend großen Widerstandswert, der, wenn der Einschalter 36 (Fig. 1) schließt, bewirkt, daß ein sehr kleiner Stromfluß durch den Widerstand R&sub6;&sub3; (Fig. 2) stattfindet. Eine kurze Anstiegszeit auf der Ausgangsleitung Vo (Fig. 2) wird so während des LOW/HIGH-Überganges erzeugt, da ein sehr kleiner Strom durch den Ausschalter 38 (Fig. 2) während der Umschaltung existiert (d.h., ein gleichzeitiges Leiten beider Schalteinrichtungen wird an der Anstiegsflanke des Ausgangsimpulses verhindert). Der Widerstand R&sub6;&sub3; verbessert also die Schaltzeit für einen LOW/HIGH-Übergang an der Ausgangsleitung Vo dadurch, daß er es ermöglicht, den Ausschalter 38 zu öffnen, bevor der Einschalter 36 schließt, während gleichzeitig die gewünschte Spannung auf der Ausgangsleitung Vo aufrechterhalten wird.
Die Zeit, die für einen HIGH/LOW-Übergang (nämlich die Abstiegsflanke) benötigt wird, ist auch sehr klein aufgrund der relativen Zeitverläufe der Impulsfolgen gemäß Fig. 4. Zu jeder der Zeiten 412&sub1;, 412&sub2;, 412&sub3; treffen die Abstiegsflanken der Impulse innerhalb der Impulsfolge 402 mit den Abstiegsflanken der invertierten Impulse der Impulsfolge 406 zusammen und treffen auch mit den Abstiegsflanken der Impulse in der Impulsfolge 408 zusammen. Die Koinzidenz wird absichtlich erreicht, da die Verzögerung in der einstellbaren Verzögerungsleitung 30 (Fig. 1) so eingestellt ist, daß die Abstiegsflanken der Impulse in der Impulsfolge 402 zur selben Zeit wie die Abstiegsflanken der Impulse in der Impulsfolge 408 auftreten. Durch geeignete Wahl der Verzögerung in der einstellbaren Verzögerungsleitung 30 (Fig. 1) wird dann das Steuersignal zum Schließen des Ausschalters 38 fast gleichzeitig mit dem Steuersignal zur Öffnung des Einschalters 36 zugeführt, so daß die Zeit, die für einen HIGH/LOW-Übergang auf der Ausgangsleitung Vo (Fig. 1) erforderlich ist, minimiert wird.
Obwohl die Steuersignale gleichzeitig zugeführt werden, kann ein kurzer Moment der gleichzeitigen Leitung der beiden Schalter 36 und 38 aufgrund der endlichen Schaltzeit der MOSFET's Q&sub1;, Q&sub2;, Q&sub3; und Q&sub4; auftreten. Die negativen Effekte eines solchen gleichzeitigen Leitungszustandes werden jedoch durch die Widerstände R&sub2;&sub7; und R&sub2;&sub8; vermindert. Zu diesem Augenblick muß der Ausschalter 38 (Fig. 2) jedweden Strom ableiten, der durch den Einschalter 36 zusammen mit irgendeinem Strom aus dem Verbraucher 52 (Fig. 1) fließt. Eine Beschädigung kann für die MOSFET's Q&sub2; und Q&sub4; resultieren, wenn die durch den Stromfluß bedingte Leistung von den beiden Quellen in diesen MOSFET's vernichtet werden müßte. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind daher die Widerstände R&sub2;&sub7; und R&sub2;&sub8; in Serie mit den MOSFET's Q&sub2; und Q&sub4; angeordnet, um eine gewisse Leistung während jeder Periode eines gleichzeitigen Leistungszustandes des Ausschalters 38 und des Einschalters 36 zu vernichten.
Anhand von Fig. 3A sind nähere Einzelheiten des Leistungsverstärkers 28A (Fig. 1) erkennbar. Diese Schaltung steht mit der Ausgangsleitung Vo in Verbindung und wird durch die +16V-Gleichstromquelle gespeist, auf deren Pegel die Ausgangsleitung bezogen ist. Die MOSFET's Q&sub5;, Q&sub6; und Q&sub9; können also verhältnismäßig übliche Bauelemente sein, welche Spannung in der Größenordnung von 16 Volt mit hohen Schaltgeschwindigkeiten schalten können. Die Widerstände R&sub1;&sub0;, R&sub1;&sub1;, R&sub1;&sub2;, R&sub1;&sub4;, R&sub1;&sub5;, R&sub1;&sub6; und R&sub1;&sub7; und die Diode D&sub6; spannen die MOSFET's Q&sub5; und Q&sub9; vor. Die Kopplung zwischen den MOSFET's wird durch den Widerstand R&sub6;&sub2; und die Kondensatoren C&sub1;&sub1; und C&sub1;&sub2; vorgenommen. Der Treiber U&sub1; ist ein verhältnismäßig übliches Bauelement, beispielsweise ein Treiber mit der Bezeichnung DS0026, hergestellt von National Semiconductor of Santa Clara, Kalifornien. Der Widerstand R&sub6;, und die Diode D&sub8; verbinden den Treiber U&sub1; mit der 16V- Spannungsguelle. Der Widerstand R&sub1;&sub8; und der Kondensator C&sub1;&sub5; koppeln das Eingangssignal V&sub3; an den Treiber U&sub1; an.
Es sei bemerkt, daß Fig. 1 den Leistungsverstärker 28A in der Weise darstellt, daß er ein Eingangssignal von der Faseroptikverbindung 26 empfängt. In Fig. 3A ist das Eingangssignal V&sub3; ein elektrisches Signal. Die Schaltungsanordnung, welche zur Umsetzung von Lichtsignalen auf der Faseroptikverbindung 26 (Fig. 1) erforderlich ist, ist nicht im einzelnen gezeigt. Eine solche Schaltungsanordnung ist aber allgemein bekannt. Hier wird ein Bauteil mit der Nummer QFBR-2496 von Fa. Hewlett-Packard, Parlo Alto, Kalifornien, verwendet.
Fig. 3Bzeigt die Schaltungsanordnung des Leistungsverstärkers 28B (Fig. 1) in ihren Einzelheiten. Diese Schaltung ist auf das Niveau der -300V-Spannungsquelle A bezogen. Sämtliche Punkte, die die Bezeichnung "A" in dem Schaltbild tragen, haben Verbindung zu der -300V-Spannungsquelle. Die Schaltung wird durch eine 16V-Spannungsquelle D gespeist, die auf das Niveau der -300V-Spannungsquelle bezogen ist. Die MOSFET's Q&sub7;, Q&sub8;, Q&sub1;&sub0;, Q&sub1;&sub1; und Q&sub1;&sub2; werden durch die Widerstände R&sub3;&sub5;, R&sub3;&sub6;, R&sub3;&sub8;, R&sub3;&sub9;, R&sub4;&sub0;, R&sub4;&sub1;, R&sub4;&sub3;, R&sub4;&sub4;, R&sub4;&sub5; und die Diode D&sub5; vorgespannt Die Kopplung zwischen den MOSFET's wird durch die Widerstände R&sub3;&sub7;, R&sub4;&sub2; und die Kondensatoren C&sub9;, C&sub1;&sub0; sowie C&sub1;&sub4; vorgenommen. Der Widerstand R&sub5;&sub8; stellt sicher, daß der Ausgang des Leistungsverstärkers 28B HIGH ist, jedoch ausgenommen dann, wenn Q&sub8; leitend ist. Die Treiber U&sub2; und U&sub3; haben denselben Aufbau wie der Treiber U&sub1; (Fig. 3A). Die Widerstände R&sub4;&sub8;, R&sub4;&sub6; und die Kondensatoren C&sub2;&sub7; und C&sub3;&sub0; koppeln die Eingangssignale V&sub4; und V&sub5; an die Treiber U&sub2; und U&sub3; an. Die Vorspannungs- Spannungen für die Treiber U&sub2; und U&sub3; gelangen über die Widerstände R&sub6;&sub0; und die Diode D&sub7; an die 16V-Spannungsquelle.
Beim praktischen Aufbau einer Schaltung nach den Fig. 2, 3A und 3B verwendet man zweckmäßig übliches Wissen des Elektroingenieurs zur Auswahl der charakteristischen Werte für die Bauteile. Insbesondere sollte bei der Auswahl der MOSFET's Q&sub5;, Q&sub6;, Q&sub7;, Q&sub8;, Q&sub9;, Q&sub1;&sub0;, Q&sub1;&sub1; und Q&sub1;&sub2; darauf geachtet werden, daß die Gate-Kapazität zum Erzielen einer guten Wirkungsweise bei hohen Impulswiederholungsfrequenzen minimal gehalten wird. Beispielsweise sollten in Beachtung ordnungsgemäßer Konstruktionspraxis für Hochfrequenzschaltungen sämtliche Spannungsquellen durch Filterkondensatoren überbrückt sein. Vorliegend werden metallisierte Polypropylen-Kondensatoren verwendet.
Nach Beschreibung einer Ausführungsform eines Imulsgenerators für hohe Spannung und hohe Impulsfrequenz mit den oben beschriebenen erfinderischen Grundgedanken erkennt der Fachmann, daß eine Anzahl anderer Ausführungsformen verwirklicht werden kann. Es ist daher davon auszugehen, daß die Erfindung nicht auf das hier offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt ist sondern nur eine Begrenzung durch den Umfang der anliegenden Ansprüche zum Ausdruck gebracht ist.

Claims

1.Gerät zur Erzeugung Impulse hoher Spannung auf einer Ausgangsleitung, mit

a) Mitteln (10) zur Erzeugung von Impulsen niedriger Spannung mit der gewünschten Impulswiederholungsfrequenz und dem gewünschten Tastverhältnis;

b) ersten Steuermitteln (28A), welche auf die Mittel (10) zur Erzeugung der Impulse niedriger Spannung ansprechen, zur Betätigung eines ersten Schalters (36) im Sinne der Verbindung der Ausgangsleitung mit einer Quelle (B) hoher positiver Spannung, wenn der erste Schalter (36) im geschlossenen Zustand ist,und im Sinne einer Trennung der Ausgangsleitung von der Quelle (B) hoher positiver Spannung, wenn sich der erste Schalter (36) in einem Öffnungszustand befindet; und

c) zweiten Steuermitteln (30, 32, 28B), welche auch auf die Mittel (10) zur Erzeugung der Impulse niedriger Spannung ansprechen, zur Betätigung eines zweiten Schalters (38) im Sinne einer Verbindung der Ausgangsleitung mit einer Quelle (A) hoher negativer Spannung, wenn der zweite Schalter (38) sich in geschlosssenem Zustand befindet und zur Trennung der Ausgangsleitung von der Quelle (A) hoher negativer Spannung, wenn der zweite Schalter (38) sich im geöffneten Zustand befindet,

dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Steuermittel (28A; 30, 32, 28B) so ausgebildet sind, daß dann, wenn die Spannung auf der Ausgangsleitung sich von einer hohen negativen Spannung zu einer hohen positiven Spannung ändern soll, der zweite Schalter (38) sich öffnet, kurz bevor der erste Schalter (36) sich schließt, und, wenn die Spannung auf der Ausgangsleitung sich von einer hohen positiven zu einer hohen negativen Spannung ändern soll, die Öffnung des ersten Schalters (36) und die Schließung des zweiten Schalters (38) im wesentlichen zum selben Augenblick erfolgen, und daß der zweite Schalter (38) Mittel (R&sub6;&sub3;) enthält, um die hohe negative Spannung auf der Ausgangsleitung zwischen dem Öffnen des zweiten Schalters (38) und dem Schließen des ersten Schalters (36) aufrecht zu erhalten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Steuermittel einen Treiber (24) enthalten, der auf die Mittel (10) zur Erzeugung der Impulse niedriger Spannung anspricht, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das einen Spannungspegel entsprechend einem logischen "Hoch" aufweist, wenn die Folge von Impulsen niedriger Spannung einem Spannungswert entsprechend einem logischen "Hoch" hat und welches einen Spannungspegel entsprechend einem logischen "Tief" aufweist, wenn die Folge von Impulsen niedriger Spannung einen Spannungswert hat, der einem logischen "Tief" entspricht; daß ferner die ersten Steuermittel einen ersten Verstärker (28a) enthalten, der auf den Treiber (24) anspricht, um ein erstes Steuersignal zu erzeugen, das einen ersten Spannungspegel mit einer bestimmten Verzögerung nach einem Spannungspegel entsprechend einem logischen "Hoch" des Ausgangssignales des Treibers (24) hat und einen zweiten Spannungspegel mit bestimmter Verzögerung nach dem Auftreten eines Spannungspegels entsprechend einem logischen "Tief" des Ausganges des Treibers (24) hat; und daß die zweiten Steuermittel Impulserweiterungsmittel (30, 32, 28B) enthalten, welche auf das Ausgangssignal des Treibers (24) ansprechen, um ein zweites Steuersignal hervorzubringen, das einen vierten Spannungspegel aufweist, wenn der Ausgang des Treibers (24) einen Spannungspegel entsprechend einem logischen "Hoch" hat, und einen dritten Spannungspegel mit der bestimmten Verzögerung nach dem Auftreten des Ausganges des Treibers (24) mit dem Spannungspegel entsprechend einem logischen "Tief" hat.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Treiber (24) mit den Mitteln (10) zur Erzeugung der Im- pulse niedriger Spannung über eine erste Faseroptikverbindung (22) gekoppelt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärker (28A) mit dem Treiber (24) über eine zweite Faseroptikverbindung (26) gekoppelt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulserweiterungsmittel folgendes enthalten:

a) Signalverzögerungsmittel (30), welche auf den Treiber (24) ansprechen und eine bestimmte Verzögerung verwirklichen;

b) einen Nebenschlußweg (32), welcher auf den Treiber (24) anspricht, um Signale im wesentlichen ohne Verzögerung durchzulassen; und

c) einen zweiten Verstärker (28B), welcher von den Signalverzögerungsmitteln (30) und dem Nebenschlußweg (32) beauf schlagt ist, um das zweite Steuersignal zu erzeugen, das den vierten Spannungspegel aufweist, wenn der Ausgang der Signalverzögerungsmittel (30) eine Spannung entsprechend einem logischen "Hoch" aufweist und wenn der Ausgang des Nebenschlußweges (33) eine Spannung entsprechend einem logischen "Hoch" aufweist, während der Verstärker den dritten Spannnungspegel annimmt, wenn der Ausgang der Signalverzögerungsmittel (30) und des Nebenschlußweges (32) gleichzeitig Werte entsprechend einem logischen "Tief" aufweisen.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schalter folgendes enthält:

erste Transistorschaltmittel (Qi, Q3), welche auf das erste Steuersignal ansprechen, um die Ausgangsleitung mit der Quelle (B) hoher positiver Spannung zu verbinden, wenn das erste Steuersignal den ersten Pegel annimmt, und um die Ausgangsleitung von der Quelle (B) hoher positiver Spannung zu trennen, wenn das erste Steuersignal den zweiten Spannungspegel annimmt; und

daß der zweite Schalter folgendes enthält:

zweite Transistorschaltmittel (Q2, Q4), welche auf das Steuersignal ansprechen, um die Ausgangsleitung mit der Quelle (A) hoher negativer Spannung zu verbinden, wenn das zweite Steuersignal den dritten Pegel aufweist, und um die Ausgangsleitung von der Quelle (A) hoher negativer Spannung abzutrennen, wenn das zweite Steuersignal den vierten Spannungspegel annimmt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der genannten Transistorschaltmittel eine Mehrzahl von MOSFET-Transistoren aufweist, die parallel geschaltet sind.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel zur Aufrechterhaltung der hohen negativen Spannung einen Widerstand (R&sub6;&sub3;) enthalten, der zwischen die Ausgangsleitung und die Quelle (A) hoher negativer Spannung gestaltet ist.