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Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer hohen Gleichspannung aus einer
Impulsspannung von einseitig gerichteten Impulsen Zur Erzeugung,der Anodenspannung
bei Braunschen Röhren, die ja einige Tausend Volt betragen muß, um eine genügend
hohe Strahlgeschwindigkeit zu erreichen, sind schon verschiedene Methoden bekannt.
Das Nächstliegende ist, die Hochspannung transformatorisch aus dem Wechselstromnetz
zu entnehmen, gleichzurichten und die Oberwellen auszusieben. Abgesehen davon, daß
eine Gleichrichtung so hoher Spannungen mit einfachen Mitteln nicht mehr bewältigt
werden kann und zu kostspieligen Anordnungen führt, ist auch die Aussiebung der
Oberwellen bei solchen Spannungen sehr schwierig.
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Bei der heute üblichen magnetischen Strahlab lenkung durch sägezahnförmige
Ströme kann man aber auch die an der Ablenkspule beim Strahlrücklauf auftretenden
Spannungsimpulse zur Hochspannungserzeugung verwenden, indem beispielsweise ein
RC-Glied auf die Spitzenspannung aufgeladen wird. Die Zeitkonstante muß hierbei
natürlich so groß sein, daß verhindert wird, daß die am Kondensator abgegriffene
Anodenspannung. allzu schnell absinkt. Die Höhe der Impulsspitzen ist dabei durch
die zeitliche Stromänderung während des Strahlrücklaufs gegeben. Bei Sägezahngeneratoren
wird zum Rücklauf meistens die freie Eigen-Schwingung der Spule benutzt, die ihrerseits
bedingt ist durch die Selbstinduktion und -die verteilte Kapazität der Ablenkspule.
Da letztere sich nicht beliebig herabsetzen läßt, ist der zeitlichen Stromänderung
und infolgedessen der zu erreichenden Spitzenspannung eine natürliche Grenze gesetzt.
Die so erreichbare Spannung genügt aber nicht
immer für die bei-
einer -Braunschen Röhre notwendige Beschleunigungsspannung.
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Gemäß der Erfindung gelingt es nun, mit verhältnismäßig einfachen
Mitteln doch eine genügend hohe Gleichspannung aus einer Folge von einseitig gerichteten
Impulsen, deren Dauer kurz gegen die Impulspause ist, zu erzielen, und zwar durch
eine Kaskadenanordnung von zwei oder mehr Gliedern, von denen jedes Glied einen
Gleichrichter, zwei Kondensatoren und einen Widerstand enthält, die derart angeordnet
sind, .daß beim Anschalten. der Erregerspannung innerhalb jedes Gliedes jeweils
der erste Kondensator über den Gleichrichter, der zweite Kondensator dagegen von
dem ersten Kondensator über den Widerstand aufgeladen wird und bei der die gewünschte
Gleichspannung an einem Kondensator des letzten Gliedes-:der Kaskadenanordnung oder
an einer Reihenschaltung der zu mehreren Gliedern gehörenden Kondensatoren abgenommen
wird.
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Es ist zwar bereits bekannt, aus einer sinusförmigen Wechselspannung
mittels Gleichrichtern und Kondensatoren eine hohe Gleichspannung zu erzeugen. 'Demgegenüber
läßt sich aber durch die erfindungsgemäße Anordnung bei Verwendung von einseitig
gerichteten Impulsen als Erregerspannung für jedes Glied der Kaskadenanordnung ein
Gleichrichter ersparen, da er durch einen Widerstand ersetzt wird.
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Zum besseren 'Verständnis der sich beim Anschalten der Erregerspannung
abspielenden Vorgänge seien zunächst die Verhältnisse bei der bekannten Kaskadenanordnung
erläutert. Diese in Abb. r dargestellte Kaskadenanordnung arbeitet folgendermaßen:
An den Klemmen A, B wird dem Kreis I eine Wechselspannung E, sin uz t zugeführt.
Der Kondensator Co lädt sich also über den Gleichrichter G, auf die Spitzenspannung
E, auf und würde diese Spannung beibehalten, wenn die nachfolgenden Kreise II, III
usw. nicht vorhanden wären. Dadurch aber, daß bei umgekehrter Phase der Erregerspannung
jetzt der Gleichrichter G1 leibend und der Gleichrichter GO gesperrt wird, teilt
sich .die auf dem Kondensator Co sitzende Ladung über G1 noch auf den Kondensator
C1 auf. In der nächsten Phase wird wieder G, leitend, und Co erhält wieder eine
Ladung, während die auf C1 sitzende Ladung über -G2 teilweise an C, weitergegeben
wird. Auf diese Art und Weise gibt jeder Kondensator an den nächstfolgenden Ladung
ab und. erhält vom vorhergehenden wieder eine neue Ladung, bis schließlich die ganze
Kette I, II, III, IV, V usw. so. aufgeladen ist, daß mit Ausnahme von Co alle Kondensatoren
die doppelte Spitzenspannung und Co selbst die einfache Spitzenspannung aufweisen.
Es läßt sich also an den Klemmen A, B ein Vielfaches der Spannungsamplitude des
erregenden Wechselstroms als, Gleichspannung abnehmen, in der in Abb. z dargestellten
Schaltung beispielsweise 5 Eo.
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Uri den Endzustand, in dem sich nach der Aufladeperiode die Kette
befindet, übersichtlich und einfach abzuleiten, kann man sich die Kaskade folgendermaßen
zerlegt denken: Wenn an A, B -die Spannung E, sin to t zugeführt wird
und die Kettenglieder II, III und folgende nicht vorhanden sind, so lädt sich der
Kondensator Co auf die Spitzenspanneng auf und behält diese Spannung bei. Am Gleichrichter
G, liegt daher die Differenz zwischen erregender Spannung Eo sin uzt und der Spitzenspanneng.
Diese Verhältnisse sind in der Abb. a mit Ia, Ib und Ha bezeichnet; Ia
= E, sin co t, Ib ist die Kondensatorsparmung, Ha die am Gleichrichter GO
auftretende Differenzspannung. Betrachtet man jetzt das nachfolgende Kettenglied
II, so liegt also als 'erregende Spannung die mit Ha bezeichnete Spannung an dem
in Reihe mit dem Gleichrichter G1 geschalteten Kondensator C1. Die sich indem Kreis
II ausbildenden Verhältnisse sind in der Abbildung mit Ha, IIb und IIIa bezeichnet.
Der Kondensator Cy wird nunmehr auf die doppelte Spitzenspannung IIb aufgeladen,
während am Gleichrichter G1 die durch IIIa gekennzeichnete Spannung liegt. Nimmt
man die folgenden Kreise III usw. der Reihe nach hinzu, so sieht man, daß,die erregende
Spannung IIIa, TV'a usw..das eine Mal unterhalb der Nullächse und das: andere Mal
oberhalb der Nullachse verläuft, so daß also sämtliche nachfolgenden Kondensatoren
auf die doppelte Spitzenspannung a Eo geladen werden.
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Diese einfache Ableitung für den stationären Zustand gestattet es
ohne weiteres, zu untersuchen, welche Verhältnisse bei einer einseitig gerichteten
Impulsspannung, wie sie durch .die an der Ablenkspule einer Braunschen Röhre auftretende
Rücklaufspannung gegeben ist, eintreten. Die Rücklaufspannung weist den in Abb.
3 gezeichneten Verlauf auf. Die Flächenteile unterhalb und oberhalb der Nullachse
sind einander gleich. Die positiven und negativen Amplituden sind jedoch größenmäßig
so sehr voneinander unterschieden, daß die Spitzenspannung, auf die sich die Kondensatoren
aufladen, praktisch zu Eo angenommen werden kann.
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Wenn man diese Impulsspannung in gleicher Weise wie eine sinusförmige
Wechselspannung einer Kaskadenanordnung nach Ab. z zuführt, kann man zur
Erklärung des stationären Zustandes einfach die vorstehend dafür gegebene Ableitung
übernehmen. Die Kurve Ia in Abb. 4b gibt dann die einseitig gerichteten Impulse
wieder und stellt die erregende Spannung dar. Alle Kondensatoren, mit Ausnahme von
Co, laden sich also auf die Spannung E, -I- Eö auf, wobei Eö den Spitzenwert der
in der Kurve Ia unterhalb,der Nullachse verlaufenden Spannung bedeutet.
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Wenn die Impulsspannung den in Abb. 3 gezeichneten Verlauf besitzt,
läßt.sich nun erfinidungsgemäß je Glied der Kaskadenanordnung eine der Gleichrichterstrecken
ersparen und durch einen Widerstand oder eine Selbstinduktion ersetzen.
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Die Kaskadenschaltung besitzt dann also an Stelle der Gleichrichter
G1, G3. usw. die Widerstände R1, R3 usw. (Abt. 4a). Wird nun eine Impulsspannung
nach der in Abb. 4b mit Iä gezeichneten Art an den in Reihe mit dem Gleichrichter
G, geschalteten Kondensator Co gelegt, so wird dieser auf die Spitzenspannung
Eo
geladen und bleibt geladen (Abb. ¢b, Ib), so daß das. Potential am Gleichrichter
Go den in Abb. 4b, Ha bezeichneten Verlauf besitzt. Diese Spannung liegt im Kreis
II an einer RC-Gliedkombination. Dadurch, daß die Spannung Ha über eine viel längere
Zeit einen konstanten Wert besitzt, als sie Null ist, wird der Kondensator Ci exponentiell
auf die Spannung Eo -I- Eö gebracht. Ist :die Zeitkonstante genügend groß, so. kann
sich der Kondensator während des Auftreffens einer neuen Impulsspitze nur sehr wenig
entladen, d. h. er behält praktisch dauernd seine Spannung bei. Diese Ko:ndensatorspannung
ist in Kurve IIb punktiert dargestellt. Demnach liegt an dem Widerstand R, die mit
IIIa bezeichnete Spannung, die einem weiteren Gleichrichter-Kondensator-Kreis III
zugeführt wird, und zwar gilt in Abb. ¢b in IIb :die ausgezogene Linie für den Fall
der Abb. z, d. h. wo die Gleichrichter G., G3 usw. noch nicht durch die Widerstände
Ri, R3 usw. ersetzt sind, und die punktierte Linie: nach Ersatz der Gleichrichter
durch die Widerstände gemäß Abb. 4a. Entsprechendes gilt für die Kurve IIIa. Dieser
Ersatz ist :deshalb gut möglich, weil wegen der Kürze der positiven Spannungsspitzen
eine nennenswerte Entladung von Ci und C3 nicht stattfinden kann und es daher nicht
nötig ist, an Stelle von Ri und R3 Ventile einzuschalten. Man ersieht aus der Kurve
IIb, daß der Kondensator Ci trotz der Verwendung eines Widerstandes R, an Stelle
des Gleichrichters G1 allmählich auf seinen Endwert geladen wird und nur während
des Auftreffens einer Impulsspitze in seiner Spannung etwas sinkt. Je größer daher
die Zeitkonstante ist, desto, größere Konstanz besitzt, nachdem sich :der Kondensator
aufgeladen hat, die Kondensatorspannung.
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Ein anderesAusführungsbeispieleinererfindungsgemäßen Kaskadenschaltung
ist in Abb.5 dargestellt. Sie unterscheidet sich von der Abb. 4a, wie man aus Abb.
5 a erkennt, die nur eine Umzeichnung von Abb. 5 ist, nur dadurch, daß die Kopplung
zwischen den einzelnen Kreisen I, II, III usw.. statt :durch einen Kondensator :durch
zwei hintereinandergeschaltete Kondensatoren bewerkstelligt wird, wobei als zusätzlicher
Kondensator der Kopplungskondensator des vorhergehenden Kreises zur Kopplung mitbenutzt
wird. Da sich auf einem Kopplungskondensator jeweils die Spitzenspannung ausbildet,
so liegt also an :dem Kondensator Ci die Spannung E0, an der Reihenschaltung von
Gi und C3 also auch die Spannung E., d. h. bei der in Abb. 5 dargestellten Schaltung
besitzt der Kondensator C3 die Spannung 2 Eo. Eine entsprechende Überlegung gilt
für die. weiteren Kondensatoren C3, C5 und C5, C7. Die Spannung am letzten Kondensator
ist also, wenn 2 n Kondensatoren insgesamt vorhanden sind, n E.. Man kann auch an
Stelle der Widerstände Selbstinduktionen verwenden, wie schon früher erwähnt wurde.
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Durch :die geschilderten Anordnungen läßt seich aus einer Impulsspannung,
die durch den Rücklauf des Sägezahnstroms hervorgerufen wird, eine beliebig hohe
Gleichspannung herstellen, die man als Anodenspannung für die Braunsche Röhre verwenden
kann., Ein Ausführungsbeispiel ist in Abb. 6 veranschaulicht. Die Röhre V stellt
zusammen mit der Ablenkspule L, dem Gleichrichter G und einem als V'orspannung für
:den Gleichrichter dienenden RC-Glied den Sä:gezahngenerator dar, an dessen Ablenkspule
L :die Kaskadenanordnung angeschlossen ist.