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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Stromversorgungsanordnung, insbesondere eingerichtet zur Verschaffung einer
Speisespannung für einen mit einer pulsierten Hochspannung
verbundenen Heizdraht einer Senderöhre, versehen mit einem
Heiztransformator, dessen Sekundärseite mit den Anschlüssen
des Heizdrahtes verbunden ist und dessen Primärseite mit
Anschlußklemmen für den Anschluß an einem
Wechselstromgenerator versehen ist, weiterhin versehen mit einem
Impulstransformator, von dem eine Sekundärseite mit einer
Bifilarwicklung versehen ist, mit einem Anschluß der
jeweiligen Bifilarwicklungen verbunden mit den Anschlüssen
des Heizdrahtes und mit den anderen Anschlüssen der
Bifilarwicklungen verbunden mit im wesentlichen
Erdpotential.
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Eine solche Anordnung kann in einem Radarsender für das
Generieren von Radarsendeimpulsen angewendet werden. Der
Radarsender ist dann mit einer
Hochleistungs-Radarsenderöhre versehen, wie beispielsweise mit einem
Querfeldverstärker, einer Wanderfeldröhre oder einem Klystron, von
denen die Kathode mit einem pulsierten
Hochspannungspotential verbunden ist. Ein Problem dabei ist der Heizdraht,
der sich innerhalb der Kathode befindet oder der die
Kathode bildet und mit einer Heizspannung gespeist werden
muß. Die Heizspannung dient dazu, die Kathode auf eine hohe
Temperatur zu bringen, damit eine Elektronenemission in
ausreichender Höhe stattfinden kann.
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In IEEE Transactions of Magnetics, Ausgabe MAG-7, Nr. 1,
März 1971, auf den Seiten 17-28 wird eine Vorrichtung für
die Zuführung einer Heizspannung mit Hilfe einer
Bifilarwicklung für die Sekundärwicklung eines
Impulstransformators beschrieben, der die Radarsenderöhre mit einer
pulsierten Hochspannung versieht. Die Heizspannung steht
zwischen den zwei Enden der Wicklungen, welche im
wesentlichen an Erdpotential liegen, und der Heizdraht der
Radarsenderöhre ist zwischen den zwei Enden der Wicklungen
angeschlossen, welche unter einer pulsierten Hochspannung
stehen. Diese Lösung bringt mit sich, daß der Heizstrom
durch die Sekundärwicklung des Impulstransformators fließt.
Deshalb müssen zusätzliche Vorkehrungen zur Kühlung der
Sekundärwicklung getroffen werden, und müssen Draht oder
Folie der Sekundärwicklung besonders dick ausgeführt
werden. Hierdurch kann der Impulstransformator weniger
kompakt gebaut werden und wird die Streuinduktivität des
Impulstransformators erhöht. Diese Streuinduktivität
bestimmt die eigentliche Qualität eines
Impulstransformators; sie beschränkt die Flankensteilheit des
Hochspannungsimpulses und das maximal erreichbare
Transformationsverhältnis.
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Die Stromversorgungsanordnung gemäß der Erfindung
eliminiert diese Nachteile und ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Sekundärseite des Heiztransformators mit den
Anschlüssen der Bifilarwicklung verbunden ist, welche
Anschlüsse mit den Anschlüssen des Heizdrahtes verbunden
sind, und daß die anderen Anschlüsse der Bifilarwicklung
mit einem Entkoppler versehen sind, damit die
Heizdrahtspeisespannung an im wesentlichen Erdpotential
gemessen werden kann.
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Bei direkter Verbindung zwischen der Sekundärwicklung des
Heiztransformators und der Impulshochspannungsseite des
Impulstransformators ist es für den Heiztransformator von
essentieller Bedeutung, daß die Kapazität zwischen Primär-
und Sekundärwicklung sehr klein gehalten wird, da diese
Kapazität eine parasitäre Belastung für den
Impulstransformator bildet, der die Kathode der Radar-Senderöhre mit
einer pulsierten Hochspannung versieht. Wie im
einschlägigen Fachbereich bekannt, hat eine niedrige Kapazität
eine hohe Streuinduktivität am Heiztransformator zur Folge.
Hierdurch ist eine kontinuierliche Überwachung der
Heizdrahtspeisespannung an beiden Heizdrahtenden notwendig. Mit
einer Stromversorgungsanordnung gemäß der Erfindung ist
dies durchführbar.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher
ausgeführt. Von den Figuren zeigt
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Figur 1 ein Diagramm einer Stromversorgungsanordnung nach
dem Stand der Technik;
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Figur 2 ein Diagramm einer alternativen
Stromversorgungsanordnung nach dem Stand der Technik;
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Figur 3 ein Diagramm einer Stromversorgungsanordnung gemäß
der Erfindung;
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Figur 4 eine Zeichnung des Heiztransformators.
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Eine Stromversorgungsanordnung nach dem Stand der Technik
kann auf eine in Figur 1 dargestellte Weise in einem
Radarsender angewendet werden. Von einer Radarsenderöhre 1
ist nur ein Heizdraht 2 abgebildet worden; es darf
vorausgesetzt werden, daß die übrigen Teile der
Radarsenderöhre praktisch an Erdpotential liegen. Der
Impulstransformator 3 ist mit einer Primärwicklung 4
versehen, deren Eingangsanschlüsse unter einer pulsierten
Spannung gesetzt werden können. Eine Sekundärwicklung 5 ist
bifilar ausgeführt. Es handelt sich hierbei um eine
Wicklung, bei der zwei parallele Stromleiter, anstelle von
einem, verwendet werden. Eine Seite der Wicklung 5 liegt
über eine Sekundärwicklung 7 eines Heiztransformators 6
praktisch an Erdpotential. Die andere Seite der Wicklung 5
ist mit dem Heizdraht 2 auf die in Figur 1 dargestellten
Weise verbunden. Der Impulstransformator 3 wurde so
gewickelt, daß bei Zuführung einer pulsierten Spannung an
die Primärseite 4, der Heizdraht 2 auf ein negatives
Hochspannungspotential gebracht wird. Der Heiztransformator
6 wurde so gewickelt, daß bei Zuführung einer
Wechselspannung an eine Primärseite, gewöhnlich eine
Netzspannung, die Sekundärwicklung 7 eine benötigte
Heizspannung über die bifilar ausgeführte Sekundärwicklung 5 an
den Heizdraht 2 liefert. Die Heizspannung ist notwendig, um
den Heizdraht, oder eine Kathode, in der sich der Heizdraht
befindet, auf eine hohe Temperatur zu bringen, damit
ausreichend Elektronenemission stattfindet. Da die
Stromrichtung durch die beiden Drähte oder Folien der
Bifilarwicklung entgegengesetzt ist, wird von diesem Strom im
Impulstransformator 3 praktisch kein magnetisches Feld
erregt. Dagegen wird sich infolge ohmscher Verluste in der
Bifilarwicklung Wärme entwickeln. Eine alternative
Stromversorgungsanordnung nach dem Stand der Technik kann auf
eine in Figur 2 schematisch dargestellte Weise in einem
Radarsender angewendet werden.
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Impulstransformator 9 ist mit einer Primärwicklung 10
versehen, deren Eingangsanschlüsse unter einer pulsierten
Spannung gesetzt werden können. Eine Sekundärwicklung 11
ist an einer Seite geerdet und an der anderen Seite mit dem
Heizdraht 2 verbunden. Einer Primärwicklung 14 von
Heiztransformator 12 wird eine Wechselstromspannung zugeführt,
gewöhnlich eine Netzspannung, wobei eine Sekundärwicklung
13 den Heizdraht mit der benötigten Heizspannung versieht.
Der Heiztransformator 12 muß so ausgeführt sein, daß eine
parasitäre Kapazität zwischen der Primärwicklung 14 und der
Sekundärwicklung 13 sehr gering ist. Weiterhin muß die
Isolation zwischen der Primärwicklung und der
Sekundärwicklung 13 so ausgeführt sein, daß die vom
Impulstransformator 9 erzeugten Hochspannungsimpulse keinen Durchschlag
verursachen. Diese Forderungen bringen mit sich, daß die
magnetische Kupplung zwischen der Primärwicklung und der
Sekundärwicklung ziemlich locker ist, was eine hohe
Streuinduktivität zur Folge hat. Hierdurch kann die
Heizspannung am Heizdraht variieren, beispielsweise infolge
von Temperaturschwankungen im Transformator 12, wodurch die
Funktion der Radarsenderöhre 1 beeinflußt und die
Lebensdauer herabgesetzt werden kann.
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Eine Stromversorgungsanordnung gemäß der Erfindung kann,
wie in Figur 3 schematisch dargestellt, ausgeführt werden.
Hierbei erhält Heizdraht 2 eine Heizspannung mit Hilfe
eines Heiztransformators 12, dem, wie im vorstehenden
beschrieben, eine Wechselspannung zugeführt werden kann.
Der Impulstransformator 3 ist mit einer bifilaren
Sekundärwicklung 5 versehen, die in diesem Fall bifilar
ausgeführt ist, damit die Heizspannung am Heizdraht 2 an
den Enden 15 der Bifilarwicklung 5 gemessen werden kann.
Diese Enden sind hierzu mit den Anschlüssen 16 versehen.
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Die Entkoppler 17 bilden praktisch einen Kurzschluß für den
von der Bifilarwicklung 5 erregten Hochspannungsimpuls. Die
Enden 15 befinden sich daher praktisch an Erdpotential. Die
Entkoppler 17 stehen, zwar seriengeschaltet, parallel zum
Heizdraht und müssen daher so ausgeführt sein, daß sie nur
eine vernachlässigbare Belastung für den Heiztransformator
12 bilden. Ein geeigneter Entkoppler ist mit einem
Kondensator und einem hiermit parallelgeschalteten, hochohmigen
Widerstand versehen. An den Anschlüssen 16 kann nun während
des Betriebs die Heizspannung gemessen werden. Dies
ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung der
Heizdrahtspannung.
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Der Heiztransformator 12 muß so ausgeführt werden, daß
parasitäre Kapazitäten zwischen der Primärwicklung 14 und
der Sekundärwicklung 13 minimal sind. Diese parasitären
Kapazitäten stehen parallel zur von der Senderöhre 1
gebildete Belastung für den Impulstransformator 3 und
verursachen eine reduzierte Flankensteilheit des Impulses,
Welligkeit während des Impulses und einer positiven
Restspannung nach dem Impuls.
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Im Fachbereich ist jedoch bekannt, daß eine geringe
parasitäre Kapazität zwischen der Primär- und der
Sekundärwicklung zwangsläufig eine große Streuinduktivität im
Transformator hervorruft. Hierdurch ist die Spannung am
Heizdraht 2 von der Temperatur des Heiztransformators und
der Frequenz der Spannung an der Primärwicklung 14
abhängig. Daneben hängt die Spannung am Heizdraht 2
selbstverständlich von der Größe der an der Primärwicklung
14 stehenden Spannung ab, gewöhnlich der Netzspannung.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung kann die Primärwicklung 14 des Heiztransformators
12 auf eine regelbare und rückgekoppelte
Wechselspannungsquelle 18 angeschlossen werden, welche zum Einstellen der
gewünschten Wechselspannung mit einem Einstellorgan 19
versehen worden ist. Die Wechselspannungsquelle 18 ist
außerdem mit einem Leseeingang 20 versehen, mit dem die
aktuelle Spannung des Heizdrahtes 2 gemessen werden kann.
Diese Messung mit dem Leseeingang 20 erfolgt über die
Anschlüsse 16 und die bifilare Sekundärwicklung 5, die
wiederum mit dem Heizdraht 2 verbunden ist. Resultat der
Rückkopplung ist eine genaue und kontinuierliche
Heizspannung, bei gleichzeitiger Eliminierung der
Streuinduktivitätseffekte.
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Wird eine regelbare Wechselspannungsquelle 18 mit einer
hohen Frequenz gewählt, wie beispielsweise eine geschaltete
Stromversorgungsanodnung oder ein resonanter Konverter,
dann kann der Heiztransformator 12 gemäß Figur 4 ausgeführt
werden. Hierbei ist der Kern des Transformators 12 mit
einem mit n primären Wicklungen 22 umwickelten Ringkern 21
sowie mit einer nur aus einer Wicklung bestehenden
Sekundärwicklung 23 versehen. Von dieser Art Transformator
ist im Fachbereich bekannt, daß hervorragende
Isolationseigenschaften an eine niedrige parasitäre
Kapazität zwischen der Primärwicklung 22 und der
Sekundärwicklung 23 gekoppelt werden, während die
Streuinduktivität des Transformators optimal ist. Die
Anzahl Wicklungen n kann bestimmt werden, indem die
nominale Ausgangsspannung der Wechselspannungsquelle 18
durch die gewünschte nominale Heizspannung des Heizdrahtes
2 geteilt wird.
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Um eine optimale Isolation zwischen der Primärwicklung 22
und der Sekundärwicklung 23 zu bewerkstelligen, wird für
das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser des Ringkerns
21 und dem Außendurchmesser der Sekundärwicklung 23
ungefähr 2.7 gewählt. Wie von der Hochspannungstechnik her
bekannt, ist die elektrische Feldstärke in der Nähe der
Sekundärwicklung 23 in dem Fall minimal.
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In der Radarsenderöhre sendet der Heizdraht, oder eine vom
Heizdraht erhitzte Kathode, unter Einfluß des
Hochspannungsimpulses Elektronen aus. Hierbei hat sich
herausgestellt, daß die dem Heizdraht zugeführte Heizspannung
einen geringen Einfluß auf die Geschwindigkeit hat, mit der
die Elektronen ausgesandt werden. Folglich sind im
Radarsendeimpuls in geringem Maße Modulationsseitenbänder mit
der Frequenz der Heizspannung enthalten. Hierdurch eignet
sich der Radarsender weniger gut für Anwendungen, bei denen
mit dem Radar ausschließlich Bewegtziele detektiert werden.
Wird jedoch die Primärwicklung 14 des Heiztransformators 12
primär an eine Wechselspannungsquelle 18 mit hoher Frequenz
angeschlossen, dann ist es möglich, um zwischen die
Sekundärwicklung 13 des Heiztransformators 12 und den
Heizdraht eine Gleichrichterschaltung 24 mit
Abflachkondensatoren 25 aufzunehmen, wodurch die
Modulationsseitenbänder nahezu verschwinden. Die hohe Frequenz ist
notwendig, weil der Heizdraht gewöhnlich sehr niederohmig
ist, was bei niedrigen Frequenzen nicht realisierbar große
Abflachkondensatoren fordern würde. Bei Anwendung einer
Gleichrichterschaltung 24 muß die Wechselspannungsquelle 18
mit einem Leseeingang 20 versehen sein, eingerichtet für
das Verarbeiten einer Gleichspannung, da es sich bei der
von dem Leseeingang zu messenen Spannung um eine
gleichgerichtete Spannung handelt.
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Eine weitere Reduzierung der Modulationsseitenbänder läßt
sich erzielen, indem man die Wechselspannungsquelle 18 mit
einer Ein-/Ausschaltmöglichkeit 26 versieht, mit dem dann
kurz bevor Zuführung des Hochspannungsimpulses zur
Radarsenderöhre die Wechselspannungsquelle ausgeschaltet und
kurz danach wieder eingeschaltet wird. Hierbei ist es
jedoch notwendig, die Frequenz der Wechselspannungsquelle
18 bedeutend größer als die Wiederholungsfrequenz des
Hochspannungsimpulses zu wählen. Geht man beispielsweise
von einer Wiederholungsfrequenz des Hochspannungsimpulses
von 1 kHz, einer Impulsdauer des Hochspannungsimpulses von
1 usec und einer Frequenz der Wechselspannungsquelle von
100 kHz aus, dann hat sich herausgestellt, daß die
Wechselspannungsquelle für nur ungefähr 1% der Zeit ausgeschaltet
ist. Während dieser Zeit sorgen die Abflachkondensatoren 25
der Gleichrichterschaltung 24 und die Wärmekapazität des
Heizdrahtes für eine nahezu konstante Temperatur des
Heizdrahtes.