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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zerhackerverstärkerschaltungen zum Liefern
eines zu einer Spannung proportionalen Stroms und insbesondere auf derartige
Schaltungen, die dazu bestimmt sind, an Ablenkspulen von Kathodenstrahlröhren die für
deren Funktion erforderlichen Ströme zu liefern.
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Im folgenden handelt es sich vor allem um Verstärkerschaltungen, die Ablenkspulen
versorgen, um eine freie Abtastung des Schirms einer Kathodenstrahlröhre auszuführen,
d.h. eine Abtastung, bei der der Strahl auf beliebige Weise über den Schirm laufen kann;
die Stromversorgung von Ablenkspulen stellt dann ernsthafte Probleme hinsichtlich der
Energiedissipation. Die Schaltung gemäß der Erfindung findet ihre Anwendung überall
dort, wo an eine beliebige Last eine hohe Leistung geliefert werden muß.
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Da eine Ablenkspule einer Induktivität gleichgesetzt werden kann, besitzt die Spannung an
ihren Anschlüssen die Form L dI/dt, wobei L die Induktivitat der Spule ist und dI/dt die
Ableitung des die Spule durch fließenden Stroms I nach der Zeit t ist. Da die Bewegung
des Strahls über den Schirm im wesentlichen zu I proportional ist, kann der Ausdruck
dI/dt mit der Geschwindigkeit der Spur auf dem Schirm identifiziert werden.
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Wenn bei einer freien Abtastung das auf dem Schirm aufzuzeichnende Bild beladen, d.h.
voll von Einzelheiten ist, muß die Aufzeichnungsgeschwindigkeit groß sein, so daß die
Versorgungsspannungen verhältnismäßig hoch sein müssen.
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Außerdem liegt die für die Ablenkung erforderliche Energie in der Größenordnung von
Millijoule, was Ablenkströme von einigen Ampère zur Folge hat.
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Es ist daher offensichtlich, daß die für die Funktion eines elektromagnetischen
Ablenksystems vom freien Typ erforderliche Leistung hoch ist. Da andererseits die
Ablenkeinrichtung einen Blindwiderstand bildet, wird nahezu die gesamte verbrauchte
Leistung in der Endstufe des Verstärkers in Wärme umgewandelt.
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Folglich kommt es häufig vor, daß in den Ausgangstransistoren Leistung in der
Größenordnung von einigen Watt in Wärme umgewandelt wird, was in kompakten
Anzeigegeräten nicht ohne große Probleme ist. Die Verwendung von Zerhackerverstärkern
reduziert die Dissipationsprobleme, sie ermöglicht es jedoch nicht, ein Signal von
ausreichender Qualität zu erhalten (siehe US-A-3508109).
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Um dies zu erreichen, ist es bekannt, in derselben Zerhackerverstärkerschaltung einen
Linearverstärker und einen Zerhackerverstärker komplementär miteinander zu verbinden,
wie beispielsweise in IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Bd. PE-1,
Nr. 1, Januar 1986, Seiten 48-54, NY, US; G.B. YUNDT: "Series- or parallel-connected
composite amplifiers", offenbart ist. Die Zerhackerverstärkerschaltung zum Liefern eines
zu einer Eingangsspannung proportionalen Ausgangsstroms an eine Last umfaßt dann einen
Linearverstärker und einen Zerhackerverstärker, dessen Ausgang mit der Last verbunden
ist; der Linearverstärker ist ein Leistungsverstärker, der so gesteuert wird, daß er einen
von der Differenz zwischen der Eingangsspannung und einer zum Ausgangsstrom
proportionalen Spannung abhängigen Strom liefert, wobei sein Ausgang mit der Last
verbunden ist, so daß der von ihm gelieferte Strom einen Teil des Ausgangsstroms bildet;
der andere Teil des Ausgangsstroms wird vom Zerhackerverstärker geliefert, der in
Abhängigkeit von dem vom Linearverstärker gelieferten Strom gesteuert wird.
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In den bekannten Zerhackerverstärkerschaltungen ist die Steuerung des
Zerhackerverstärkers nicht zufriedenstellend gewährleistet, woraus sich Schwierigkeiten
bei der Verwirklichung von hohen Frequenzen sowie eine geringe Leistung ergeben.
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Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, diese Nachteile zu vermeiden oder wenigstens zu
verringern. Dies wird dadurch erzielt, daß vom Zerhackerverstärker nur ein Strom
geliefert wird, der den Absolutwert des vom Linearverstärker ausgegebenen Stroms zu
verringern sucht, und dies ausschließlich dann, wenn der Ausgangsstrom der
Verstärkerschaltung größer als ein gegebener Wert ist; somit wird insbesondere jegliche
Gefahr vermieden, daß vom Zerhackerverstärker gleichzeitig zwei Ströme mit
entgegengesetzter Richtung geliefert werden, außerdem wird die Umschaltung zwischen
diesen Strömen erleichtert.
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Gemäß der Erfindung wird eine Zerhackerverstärkerschaltung zum Liefern eines zu einer
Eingangsspannung proportionalen Ausgangsstroms an eine Last vorgeschlagen, wobei die
Zerhackerverstärkerschaltung versehen ist mit einem Linearverstärker und einem
Zerhackerverstärker, dessen Ausgang mit der Last verbunden ist, wobei der
Linearverstärker ein Leistungsverstärker ist, der so gesteuert wird, daß er einen von der
Differenz zwischen der Eingangsspannung und einer zur Ausgangsspannung
proportionalen Spannung abhängenden Strom liefert, und der einen mit der Last
gekoppelten Ausgang besitzt, derart, daß der von ihm gelieferte Strom einen Teil des
Ausgangsstroms bildet, wobei der andere Teil des Ausgangsstroms vom
Zerhackerverstärker geliefert wird, wobei dieser Zerhackerverstärker in Abhängigkeit von
dem vom Linearverstärker gelieferten Strom gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuerung des Zerhackerverstärkers durch eine Schaltung ausgeführt wird, die Meß-
und Steuermittel aufweist, um die Ausgabe eines Stroms vom Zerhackerstärker
ausschließlich dann zu steuern, wenn der Absolutwert des Ausgangsstroms größer als ein
gegebener Wert ist, wobei dieser Strom bestrebt ist, den Absolutwert des Ausgangsstroms
zu erhöhen, derart, daß er den Absolutwert des vom Linearverstärker ausgegebenen
Stroms zu verringern sucht.
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Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich und weitere Merkmale werden
deutlich mit Hilfe der folgenden Beschreibung und der beiliegenden Figuren, von denen:
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- Fig. 1 das Schaltbild zeigt, das eine Stufe auf dem von der Erfindung verfolgten
Weg bildet,
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- die Fig. 2 bis 4 Schaltbilder gemäß der Erfindung zeigen.
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In den verschiedenen Schaltbildern sind entsprechende Elemente mit den gleichen
Bezugszeichen bezeichnet.
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Die Fig. 1 zeigt das Schaltbild einer Verstärkerschaltung, die vom Erfinder mit dem Ziel
erdacht worden ist, in Abhängigkeit von einer Eingangsspannung Ve in eine Ablenkspule
L für eine in freier Abtastung verwendete Kathodenstrahlröhre einen Strom I zu liefern.
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Die Schaltung gemäß Fig. 1 enthält einen Zerhackerverstärker, der durch einen Verstärker
A mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen sowie durch zwei Ein-Aus-Schalter S1, S2
schematisch dargestellt ist, die zwischen zwei Punkten in Reihe geschaltet sind, an die die
zwei Spannungen +V bzw. -V angelegt werden; das Öffnen und das Schließen der Ein-
Aus-Schalter S1, S2, die in der Praxis Transistoren sind, wird durch Ausgangssignale des
Verstärkers A gesteuert. Die beiden Eingänge des Verstärkers A empfangen ein
Zerhackersignal Vr bzw. das Ausgangssignal eines linearen Differenzverstärkers AL; der
Verstärker AL empfängt an seinem "+"-Eingang die Eingangsspannung Ve; das
Zerhackersignal ist eine Sägezahnspannung mit konstantem Wert, welche die Zerhackung
steuert.
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Der Ausgang des Zerhackerverstärkers, d.h. der den beiden Ein-Aus-Schaltern S1 und S2
gemeinsame Punkt ist über eine Glättungsspule Li mit dem ersten Ende der Ablenkspule L
verbunden, deren zweites Ende über einen Widerstand R mit Masse verbunden und mit
dem "-"-Eingang des Differenzverstärkers AL vereinigt ist.
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Der Verstärker AL bildet die Differenz zwischen der Eingangsspannung Ve und der
Spannung an den Anschlüssen des Widerstandes R; der Zerhackerverstärker versucht,
diese Differenz auf Null zurückzustellen, indem er den Wert des an die Ablenkspule L
gelieferten Stroms 1 verändert.
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Der Hauptnachteil der Schaltung gemäß Fig. 1 besteht darin, daß sie einen
Zerhackungsvorgang mit einem Signal Vr effordert, dessen Frequenz doppelt so groß wie
diejenige des Eingangssignals sein muß da das Frequenzspektrum der Eingangssignale für
eine freie Abtastung im allgemeinen größer als 1 MHz ist, ist es in der Praxis notwendig,
mit wenigstens 4 MHz zu zerhacken. Bei solchen Frequenzen werden die Umschaltverluste
mit den Leitungverlusten in einem Linearverstärker vergleichbar. Außerdem verunreinigt
das schwer zu unterdrückende Umschaltrauschen das Bild.
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Die Schaltung gemäß Fig. 1 scheint daher wenigstens mit gegenwärtig auf dem Markt
erhältlichen Ein-Aus-Schalttransistoren nicht nutzbar zu sein. Die induktive Eigenschaft
einer Ablenkspule verbietet schnelle Veränderungen des sie durchfließenden Stroms,
weshalb die Aufzeichnungsgeschwindigkeiten auf dem Schirm notwendigerweise begrenzt
sind und folglich der größte Teil des Spektrums des Stroms niedrige Frequenz besitzt. Dies
wird in den nun beschriebenen Schaltungen ausgenutzt, um die Komponenten mit niedriger
Frequenz und hohem Strom mit Hilfe eines Zerhackerverstärkers zu verarbeiten, dessen
Betriebsfrequenz nicht höher als die höchste Frequenz des zu übertragenden Spektrums ist,
damit die Schaltverluste annehmbar sind. Dagegen werden die Komponenten mit hoher
Frequenz des Stroms in der Ablenkspule, deren Amplituden begrenzt sind, mit Hilfe eines
schnellen Linearverstärkers mit verhältnismäßig geringer Leistung verarbeitet.
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Das Schaltbild gemäß Fig. 2 unterscheidet sich vom Schaltbild gemäß Fig. 1 durch die
Tatsache, daß der Ausgang des linearen Differenzverstärkers AL nicht mehr mit einem der
Eingänge des Verstärkers A, sondern mit dem gemeinsamen Punkt der Glättungsspule Li
und der Ablenkspule L verbunden ist, sowie durch die Tatsache, daß der Eingang des
Verstärkers A, der das Ausgangssignal des Verstärkers AL empfing, nun die
Eingangsspannung Ve empfängt. Der Linearverstärker AL besitzt einen hohen
Verstärkungsfaktor, um die Spannung über den Anschlüssen des Widerstandes R und somit
den Strom I in der Spule L auf die Eingangsspannung Ve zu regeln. In dieser Schaltung
liefert der Zerhackerverstärker, der in Fig. 2 durch den Verstärker A und die Ein-Aus-
Schalter S1 und S2 schematisch dargestellt ist, den größten Teil des Stroms I der
Ablenkspule; der Linearverstärker AL braucht nur noch das Komplement zu liefern und
trägt zur Unterdrückung des durch den Verstärker A erzeugten Rauschens bei.
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Die Schaltung gemäß Fig. 2 erfordert eine Äquivalenz der Verstärkungsfaktoren zwischen
den Verstärkern AL und A, was nicht einfach zu erhalten ist; deswegen ist die Schaltung
gemäß Fig. 2 abgewandelt worden, um zur Schaltung gemäß Fig. 3 zu gelangen, in der
die Zerhackung direkt durch den Ausgangsstrom des Linearverstärkers gesteuert wird und
in der der Zerhackerverstärker vom Typ mit natürlicher Relaxation ist, d.h. nicht mehr das
Sägezahnsignal Vr wie in den Schaltungen gemäß den Fig. 1 und 2 benötigt.
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Die Schaltung gemäß Fig. 3 umfaßt einen linearen Differenzverstärker AL, dessen "+"-
Eingang eine Eingangsspannung Ve empfängt, die das Steuersignal bildet, anhand dessen
an eine Ablenkspule L mit 120 Mikrohenry ein Strom 1 geliefert werden muß der zu Ve
linear proportional ist.
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Der Ausgang des Verstärkers AL ist über einen Widerstand Ra von 1 Ohm mit dem ersten
Ende der Spule L verbunden, deren zweites Ende direkt mit dem "-"-Eingang des
Verstärkers AL sowie mit dem zweiten Eingang eines herkömmlichen Komparators A3
und dem ersten Eingang eines herkömmlichen Komparators A4 und über einen Widerstand
R von 0,5 Ohm mit Masse verbunden ist. Der erste Eingang des Komparators A3
empfängt eine positive, feste Referenzgleichspannung +V&sub0;, während der zweite Eingang
des Komparators A3 eine Spannung -V&sub0; empfängt.
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Die beiden Enden des Widerstandes Ra sind jeweils mit einem der Eingänge eines linearen
Operationsverstärkers Aa verbunden, dessen Ausgang mit den jeweils ersten Eingängen
von zwei schnellen Komparatoren A1, A2 verbunden ist, deren zweite Eingänge mit
Masse verbunden sind.
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Die beiden Komparatoren A1, A2 bilden mit zwei Ein-Aus-Schaltern K1, K2 die mit
deren jeweiligen Ausgängen und mit zwei Ein-Aus-Schaltern S1 bzw. S2 in Reihe
geschaltet sind, welche ihrerseits über die Ein-Aus-Schalter K1 bzw. K2 durch die
Ausgangssignale der Komparatoren A1 bzw. A2 gesteuert werden, einen
Zerhackerverstärker, der mit natürlicher Relaxation arbeitet, wie im folgenden gezeigt
wird.
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Die Ausgangssignale der Komparatoren A3, A4 steuern die Ein-Aus-Schalter K1 bzw. K2.
Genauer sind die vier Ein-Aus-Schalter von Fig. 3, die als einfache mechanische Kontakte
dargestellt sind, wie in den Schaltungen der Fig. 1 und 2 in dem beschriebenen Beispiel in
Wirklichkeit Transistoren.
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Die Ein-Aus-Schalter S1 und S2 sind zwischen zwei Punkten, die auf festen
Gleichspannungen +V = 40 Volt bzw. -V = - 40 Volt liegen, in Reihe geschaltet.
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Zwei in Reihe geschaltete Rückführungsdioden D1 und D2 sind in Sperrichtung zwischen
den Spannungspunkten +V und -V angeordnet, wobei ihr gemeinsamer Punkt mit dem
gemeinsamen Punkt der Ein-Aus-Schalter S1 und S2 und mit dem ersten Ende einer
Glättungsinduktivität Li von 40 Mikrohenry verbunden ist; das zweite Ende der
Induktivität Li ist mit dem ersten Ende der Ablenkspule L verbunden.
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Die so ermöglichte Schaltung gemäß Fig. 3 liefert an die Spule L einen Strom 1, der die
Summe aus dem Strom Ia, der vom Verstärker AL geliefert wird, wobei der Verstärker Aa
in der Praxis selbstverständlich keinen Strom vom Ausgang des Verstärkers AL zieht,
sowie aus dem Strom Ib ist, der vom Zerhackerverstiärker geliefert wird.
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Da der gesamte Strom I, der durch die Spule L fließt, durch den Widerstand R fließt und
der Eingang mit sehr hoher Impedanz des Verstarkers AL in der Praxis keinerlei Strom
verbraucht, werden der "-"-Eingang des Komparators A3 und der "+"-Eingang des
Komparators A4, die ebenfalls Eingänge mit sehr hoher Impedanz sind, auf dem Potential
R I gehalten; wenn somit für das Produkt aus dem Widerstand R und einem positiven
festen Gleichstrom I&sub0; V&sub0; geschrieben wird, vergleichen die Komparatoren A3 und A4 V&sub0;
mit R I bzw. R I mit -V&sub0;, d.h. sie vergleichen I&sub0; mit I und I mit -I&sub0; Der Komparator
A3 schließt den Ein-Aus-Schalter K1 nur dann und läßt somit die Wirkung des
Komparators A1 auf den Ein-Aus-Schalter S1 nur dann zu, wenn I größer als I&sub0; ist; der
Komparator A4 schließt den Ein-Aus-Schalter K2 nur dann und läßt somit die Wirkung
des Komparators A2 auf den Ein-Aus-Schalter 2 nur dann zu, wenn 1 kleiner als -I&sub0; ist.
Somit liefert der Zerhackerverstärker A1, A2, K1, K2, S1, S2 nur dann einen positiven
oder negativen Strom, wenn I größer als I&sub0; oder kleiner als -I&sub0; ist, d.h. wenn I > I&sub0;;
der Wert I&sub0; wird klein gewählt; damit I < I&sub0; liefert nur der Verstärker AL Strom an
die Spule L, wobei wegen der Tatsache, daß dieser Strom gering ist, die Leistung des
Verstärkers AL nicht verschlechtert wird.
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Die Tatsache, daß der Zerhackerverstärker bei I < I&sub0; keinen Strom liefert,
vereinfacht die Steuerschaltungen der Ein-Aus-Schalter S1, S2 in hohem Maß. Wenn
nämlich andernfalls I in der Umgebung von 0 liegt, müßten die beiden Ein-Aus-Schalter
S1, S2 nahezu gleichzeitig gesteuert werden. Daraus ergäben sich gleichzeitig leitende
Zustände der beiden Ein-Aus-Schalter S1, S2 und daher ein Kurzschluß der die
Spannungen +V und -V liefernden Versorgungen während sehr kurzer Intervalle, woraus
sich eine Verschlechterung der Leistung des Verstärkers und eine übermäßige Ermüdung
der Transistoren S1 und S2 ergäben.
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In der Schaltung gemäß Fig. 3 gibt der Linearverstärker AL die Gesamtheit der Ströme
mit niedriger Frequenz aus. sofern sie eine geringe Amplitude besitzen; anschließend
schließt der Zerhackerverstärker denjenigen der Ein-Aus-Schalter S1 und S2, der eine
Erhöhung des Absolutwerts des Stroms I hervorbringt, um die Gleichheit I = Ia + Ib
beizubehalten, woraus sich eine Verringerung von Ia ergibt, die zu einer Öffnung des Ein-
Aus-Schalters führt, wobei, da 1b dann Null ist, Ia erneut zunimmt und den Ein-Aus-
Schalter zum Schließen veranlaßt. Zur Erleichterung des Verständnisses wird
angenommen, daß Ve und daher I konstant sind, so daß sich eine natürliche Oszillation des
Zerhackerverstärkers ergibt, wobei der Linearverstärker AL die Unvollkommenheiten des
Zerhackerverstärkers, der nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip arbeitet, ausgleicht.
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Die Funktion der Schaltung gemäß Fig. 3 kann folgendermaßen beschrieben werden:
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- für -I&sub0; < I < I&sub0;, d.h. für kleine Werte von I reicht der Verstärker aus, um allein
den Strom I an die von der Ablenkspule L gebildete Last zu liefern; die Komparatoren A3
und A4 schließen die Ein-Aus-Schalter K1, K2 nicht und verhindern daher, daß die
Komparatoren A1, A2 die Schließung der Ein-Aus-Schalter S1, S2 steuern; der Strom Ib
ist daher Null und I ist gleich Ia.
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- Für 1 > I&sub0; schließt der Komparator A3 den Ein-Aus-Schalter K1, während der Ein-
Aus-Schalter K2 offen bleibt, so daß sich nur der Ein-Aus-Schalter S1 schließen und somit
den Strom Ib an die Spule L ausgehend von der Versorgungsspannung +V liefern kann;
da nämlich der Ein-Aus-Schalter K2 nicht geschlossen ist, besteht nicht die Gefahr, daß
der Komparator A4 den Ein-Aus-Schalter S2 schließt und somit die Lieferung des Stroms
an die Spule L ausgehend von der Spannung -V zuläßt. Der Ein-Aus-Schalter S1 wird
geschlossen, so daß ein Strom Ib an die Ablenkspule L geliefert wird, um den vom
Linearverstärker AL gelieferten Strom Ia zu ergänzen; diese Schließung wird daher im
Rhythmus des Strombedarfs zur Ergänzung des Stroms Ia ausgeführt, wobei dieser Bedarf
kraft des Verstärkers Aa, gefolgt vom Komparator A1, gemessen wird.
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- Für I < -I&sub0; verhindert der Komparator A3, daß sich der Ein-Aus-Schalter T1
schließt, wobei diesmal der Ein-Aus-Schalter 52 kraft der Versorgungsspannung -V den
Strom Ib im Rhythmus des Strombedarfs zur Ergänzung des Stroms Ia liefert.
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Es ist zu bemerken, daß aufgrund der Tatsache, daß die Veränderungen des Stroms I in
der Ablenkspule L verhältnismäßig langsam sind, die Zeit, die der Strom I braucht, um
vom Wert I&sub0; zum Wert -I&sub0; überzugehen oder umgekehrt, nicht vernachlässigbar ist; die
Komparatoren A3, A4 können daher gewöhnliche Komparatoren sein. Dies trifft nicht für
die Komparatoren A1, A2 zu, weil diese schnellen Komparatoren zum Teil die
Öffnungsdauer und die Schließungsdauer der Ein-Aus-Schalter S1, S2 bestimmen und
somit sehr schnell auf Veränderungen des Stroms Ia reagieren müssen; die Komparatoren
A1,
A2 müssen daher schnelle Komparatoren sein. Es ist außerdem zu bemerken, daß bei
der Öffnung eines der Ein-Aus-Schalter S1 oder S2 wegen der Tatsache, daß der Strom Ib
wegen der Spule Li konstant zu bleiben bestrebt ist, eine der Dioden D2 oder D1 leitend
wird, was die Wirkung hat, daß die Versorgungen wieder aufgeladen werden und daher
die Leistung verbessert wird.
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Die Fig. 4 zeigt eine Schaltung gemäß der Erfindung, die für eine Anzeige mit sehr hoher
Auflösung auf einem Kathodenstrahlbildschirm bestimmt ist. In dieser Figur ist ein Block
1 gezeigt, der Steuerlogik genannt wird und der dem Teil der Schaltung von Fig. 3
entspricht, der die Komparatoren A1 bis A4 und die Ein-Aus-Schalter K1, K2 enthält. Die
Schaltung von Fig. 4 unterscheidet sich von derjenigen von Fig. 3 durch die Hinzufügung
einer Glättungsspule Lj, eines linearen Operationsverstärkers Aa' sowie eines
Widerstandes Ra'; die Spule Lj ist zwischen die Spulen Li und L in Reihe geschaltet; der
Widerstand Ra' ist zwischen den Ausgang des Verstärkers Aa und den gemeinsamen Punkt
der beiden Glättungsspulen Li bzw. Lj in Reihe geschaltet; der Verstärker Aa' verbindet
den Verstärker Aa mit der Steuerlogik und ist hierzu mit seinen beiden Eingängen mit den
Enden des Widerstandes Ra' verbunden - was zur Folge hat, daß die passive Glättung
durch die Spule Lj und die aktive Glättung durch den Verstärker Aa verdoppelt werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele eingeschränkt, die sich
auf die elektromagnetische Ablenkung eines Elektronenstrahls beziehen. Sie ist
beispielsweise auf die Verwirklichung einer Verstärkerschaltung mit verbesserter Leistung
für Tonfrequenzen anwendbar.