DE2838435A1

DE2838435A1 - Ladeschaltung fuer eine pulsformerschaltung in einem impulsmodulator

Info

Publication number: DE2838435A1
Application number: DE19782838435
Authority: DE
Inventors: Richard Sidney Loucks
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1977-09-23
Filing date: 1978-09-02
Publication date: 1979-04-05
Also published as: IT7827912A0; DE2838435C2; US4150307A; IT1192582B

Description

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Ladeschaltung für eine Pulsformerschaltung in einem Impulsmodulator

Die Erfindung betrifft eine Ladeschaltung für eine Pulsformerschaltung wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben. Die Energieversorgungseinrichtung kann geregelt und beispielsweise für Einrichtungen, die Hochspannungsimpulse mit niedrigem Tastverhältnis erzeugen, vorgesehen sein.

Die allgemein bekannten thermionischen Mikrowellenleistungsgeräte wie z.B. Magnetron, Amplitron usw. benötigen Hochspannungsimpulse. Es ist allgemein bekannt, einen sogenannten Leitungs-Modulator in Verbindung mit einem Hochspannungsschalter (z.B. ein Wasserstoff-Thyratron) dazu zu verwenden, einen Hochspannungsimpuls über einen geeigneten Impuls-Wandler der Mikrowellenleistungsröhre, die als Mikrowellen-Oszillator oder Verstärker arbeitet, zuzuführen. Solche Einrichtungen sind im "Radar Handbook" von Merrill J.Skolnik (McGraw-Hill Book Company, 1970) im Kapitel 7 beschrieben.

Das Verteilen von überschüssiger Ladedrossel-Energie (Energie im Induktor) ist im englischen Sprachgebrauch als de-Q-ing bezeichnet. In dem oben zitierten Radar Handbook ist dies im Kapitel 7 beschrieben. In der Fig.49 sind zwei Beispiele einer Regeleinrichtung, die nach dem Energieverlustprinzip arbeitet, angegeben. Dies basiert auf der Ableitung überschüssiger Lade-Energie über einen Stromfluß durch eine Vakuum-RÖhre, die zu der Ladedrossel parallel geschaltet ist

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und die so gesteuert wird, daß sie zum geeigneten Zeitpunkt, der dem Aufladen der Pulsformerschaltung zu dem gewünschten Punkt entspricht, leitend ist. Es ist ein großer Nachteil hierbei, daß bei hohen Spannungen bis zu 30 % der Eingangsleistung als Hitze verloren geht.

Im gleichen Kapitel des Radar Handbook sind in der Fig.50 zwei Lade-Regeleinrichtungen, die im Resonanzbetrieb arbeiten und bei denen die Energie erhalten bleibt, dargestellt. Hierbei wird über die Sekundärwicklung des Ladeinduktors (direkt oder über eine Diode verbunden) Energie zum Energie liefernden Sieb/Lade-Kondensator zurückgeführt. Bei einem in der Fig.50 dargestellten Beispiel unterbricht eine serielle Triode bei hohen Spannungen den Ladezyklus der Pulsformerschaltung und läßt die Ladedrosselenergie automatisch zurückfließen und über die Sekundärwicklung des Ladeinduktors wird die verbleibende Energie zu dem Leistungsversorgungs-Sieb/ Lade-Kondensator geführt.

Bei dem anderen Beispiel schließt ein Schalter in Festkörperbauweise, z.B. ein Thyristor, den Schaltkreis zwischen der Sekundär-Wicklung des Ladeteils und dem Leistungsversorgungs-Filter/Lade-Kondensator zu der Zeit, zu der die Pulsformerschaltung den vorbestimmten Ladepunkt erreicht hat.

Das Prinzip der Rückgewinnung der verbleibenden Lade-Induktor-Energie ist hieraus an sich bekannt. Bei dem Beispiel nach Fig.50a ist eine Hochspannungstriode notwendig. Bei der etwas einfacheren Ausführung nach Fig.50b wird ein Thyristor-Schalter verwendet, an dem jedoch die hohe Spannung der

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Energieversorgung über die Sekundärwicklung des Lade-Induktors anliegt. Ein zweiter Transformator in dieser Schaltung dient nur zur Einkopplung des Thyristor-Triggerimpulses unabhängig von der gemeinsamen Mode-Spannung und nicht zur Isolation des Thyristors hiervon.

Die Art und Weise, in der die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden, werden in der Beschreibung näher erläutert.

Die neue Ladeschaltung kann besonders vorteilhaft bei gepulsten Radarsendern angewandt werden, insbesondere wenn kurze Tastverhältnisse vorliegen. Eine Ladedrossel (Induktor) ist die Primärwicklung des Transformators. Ihre Induktivität ist an die Parameter der Pulsformer-Schaltung angepaßt und ist konform mit anderen Systemüberlegungen. Ein Pegel-Sensor und Trigger-Generator erzeugt einen Trigger-Impuls, wenn die in der in Resonanz arbeitende Ladeschaltung auf einen vorbestimmten Wert aufgeladen ist. In dem Magnetfeld des Lade-Induktors verbleibt noch eine wesentliche Energie und der erwähnte Triggerimpuls steuert beispielsweise einen Thyristor, der die Sekundär-Wicklung des Lade-Induktors mit der Primärwicklung eines zweiten Transformators verbindet. Das Zünden des Thyristors beendet den Ladezyklus der Pulsformerschaltung, so daß dieses Element an die Last geschaltet werden kann. Ein wesentlicher Teil der in dem Lade-Induktor verbleibenden Energie wird zum Sieb/Lade-Kondensator der Gleichspannungs-Energieversorgungseinrichtung, die die Schaltung mit Energie versorgt, zurückgeführt. Die Sekundärwicklung des zweiten Transformators leitet die rückfließende Energie zum Sieb/Lade-Kondensator über eine Diode, die eine Rückentladung des Kondensators verhindert. Von dem Thyristor und den Steuerschaltungen müssen keine Hochspannungen mehr gesteuert werden.

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Die Erfindung wird anhand eines Schaltplanes beispielsweise näher erläutert. Diese Schaltung kann beispielsweise für einen Puls-Modulator eines Radargerätes verwendet werden.

Eine Energieversorgungseinrichtung 10 kann irgendeine Wechselstromgleichrichtereinrichtung oder vom Inverter-Typ sein. Sie ist allgemein bekannt und liefert eine Gleichspannung. Es ist von Vorteil, wenn die Hochspannungsversorgungseinrichtung 10 zumindest eine Spannungsgrobregeleinrichtung enthält. Dadurch wird der benötigte dynamische Bereich der nachfolgend beschriebenen Ladeschaltung, die nach dem Regelprinzip arbeitet, vermindert. Diese Ladeschaltung kann jedoch auch so ausgelegt werden, daß sie relativ großen Schwankungen des Ausgangssignals der Energieversorgungseinrichtung 10 angepaßt ist. Ein Kondensator 15 ist der Sieb/ Lade-Kondensator. Er kann der einzige mit 10 verbundene Sieb/ Lade-Kondensator sein, obgleich die Energieversorgungseinrichtung 10 in dem dargestellten Block 10 weitere Filterbauteile enthalten kann.

Der mit Leitungs-Puls-Modulatoren vertraute Fachmann erkennt sogleich den bekannten Lade-Induktor (Drossel) 13, eine Sperrdiode 16, einen Impuls-Former 18, einen Transformator für Impulse hoher Leistung mit Primär- 19 und Sekundärwicklung 20 und eine typische Modulationsschaltröhre 17 (z.B. ein Wasserstoff-Thyratron oder dgl.).

Es wird angenommen, daß gerade ein Sende-Impuls beendet wurde. Dann ist das Thyratron 17 nicht leitend und der Sieb/Lade-Kondensator 15 ist auf oder beinahe auf seine nominelle maximale Terminal-Spannung aufgeladen. Durch den

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Lade-Induktor 13 und durch die Sperr-Diode 16 fließt ein Strom zu der Pulsformer-Schaltung 18 und bewirkt dort die Aufladung. Es erfolgt vorzugsweise eine sogenannte resonante Aufladung und der Wert des Ladeinduktors 13 ist dementsprechend gewählt. Es ist unvermeidbar, daß, wenn die Schaltung 18 ihre gewünschte Ladung erreicht hat, ein wesentlicher Energieanteil im Magnetfeld um 13 verbleibt. Wie bereits erwähnt, wird bei einigen bekannten Einrichtungen diese restliche Energie zu einer nichtreaktiven Last abgeleitet (de-Q-ing) und dort in Hitze umgewandelt.

Die Zeitkonstanten der in der Schaltung verwendeten Bauelemente sind notwendigerweise so gewählt, daß der Lade-Induktor 13 noch ein magnetisches Feld aufrechterhält, das einen wesentlichen Bruchteil der gesamten Energie eines jeden Schaltungsimpulses enthält.

Die Primärwicklung des Puls-Transformators, der Impulse mit hoher Energie zugeführt werden, sorgt für eine wichtige Kontinuität der Aufladung der Pulsformerschaltung 18 ohne daß die Laderate nennenswert davon beeinflußt wird. Die Schaltung ist typischerweise als Parameter-Ubertragungsleitung konstruiert, die, wenn zum Zeitpunkt des Sendeimpulses durch 17 auf Masse gelegt, einen relativ flachen Energieimpuls in die Primärwicklung 19 leitet; dasselbe geschieht an der Sekundärwicklung 20 für die Anregung der HF-Leistungsröhre 21. Die Erzeugung des Radar-Triggerimpulses, der bei 22 zugeführt wird, ist dem Fachmann bekannt und wird hier nicht näher erläutert. Bei geeigneter Auslegung der Ladeschaltung, d.h. bei geeigneter Parameterwahl, braucht die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Triggerimpulsen bei 21 nicht gleich zu sein. Solange das

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Gesamtverhältnis relativ niedrig bleibt ι» kann sie über einen großen Zeitbereich variabel sein.

Die Sperrdiode 16 verhindert, daß sich 18 in der Zeit zwischen dem Erreichen der vollen nominellen Ladung in 18 und der Zuführung des nächsten Triggerimpulses bei 22 entlädt. Ein aus den Widerständen 23 und 24 bestehender Spannungsteiler teilt die relativ hohe Spannung zwischen 16 und 18. Der Spannungsteiler hat deshalb einen relativ hohen Gesamtwiderstand, wobei der Wert von 24 verglichen mit dem von 23 relativ klein ist, so daß die maximale Spannung an der Verbindung von 23 und 24 ein relativ kleiner Bruchteil der Spannung an der Verbindung von 16 und 18 anliegt. Ein Spannungspegelsensor und Triggergenerator 25 kann somit eine relativ niederspannige Einrichtung sein. 25 liefert das Triggersignal für einen Thyristor 16.

Wie bereits angegeben, ist das Vorhandensein des Triggersignals von 25, das dem Thyristor 26 zu seiner Zündung zugeführt wird, im wesentlichen koinzident mit dem Zeitpunkt, zu dem die nominelle Ladung oder Terminal-Spannung von 18 erreicht wird.

Vor dieser Zeit stellt der Thyristor 26 mit seinem Hauptstrompfad im wesentlichen eine offene Schaltung dar und die Sekundärwicklung 14 des Lade-Induktors ist nicht belastet und hat im wesentlichen keinen Einfluß auf die Funktionsweise der Primärwicklung 13 als ein Zwei-Terminal-Induktor. Wenn jedoch der Thyristor gezündet ist, wird die verbleibende Energie des Magnetfeldes des Ladeinduktors zur Primärwicklung 27 des zweiten Transformators, der Teil der Transformatorschaltung ist, übertragen. Der Impuls mit dieser verbleibenden Energie in der Schaltung mit 14, 26 und 27 ist relativ niederspannig

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wenngleich auch wesentliche Stromstärken vorhanden sind. Die Rückenergxesteuereinrichtung kann bei relativ niedriger Spannung betrieben werden, weil das Transformationsverhältnis von der Primärwicklung 27 zu der Sekundärwicklung 28 des zweiten Transformators beträchtlich ist. Das Verhältnis kann beispielsweise 1 zu 50 sein, so daß an dem nicht geerdeten Anschluß der Sekundärwicklung 28 viel höhere Spannungen vorhanden sind.

Eine Diode 32 wirkt als vorwärtsleitende "Kontroll-Röhre" während dieser Energierückflußzeit. Damit die rückgeführte Energie nicht von 10 absorbiert und vernichtet wird, ist eine zusätzliche Diode 12 vorgesehen, die automatisch dann eine Gegenvorspannung erhält, wenn das am Kondensator 15 aufgebaute Potential dasjenige, das auf der Leitung 11 zum entsprechenden Zeitpunkt vorhanden ist, übersteigt.

Eine Diode 29 ist eine "Rückschwingungs-D.iode", die die relativ kleine Rückschwingung nach dem Passieren des Rückgewinnungsimpulses absorbiert. Der Thyristor 26, der z.B. ein SCR sein kann, muß eine "harte Anschaltung" haben, damit der Punkt der Pulsformer-Schaltung-Spitzenladung markiert werden kann, denn dies ist im wesentlichen der Laderegelmechanismus. Das "harte Anschalten" wird u.a.mittels eines Kondensators 31 erzielt, indem der nicht geerdete Anschluß der Primärwicklung 27 des zweiten Transformators, mit dem der SCR 26 direkt verbunden ist, stabilisiert wird. Ob ein Abschwächungswiderstand 30 benötigt wird oder nicht hängt von den speziellen Parametern und Systemanforderungen des jeweiligen Ausführungsbeispiels ab; seine Verwendung hat jedoch eine Dämpfungswirkung.

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Ein kleiner Betrag einer Serieninduktanz, die in den Hauptstrompfad des SCR 26 eingefügt werden kann (nicht dargestellt) würde die Stromwechselrate hierdurch begrenzen und 26 vor unnötigen starken Stromübergängen schützen.

Aus der bisherigen Beschreibung geht hervor, daß die Schaltung, die an der Verbindung der Widerstände 23 und 24 beginnt, sich über die Primärwicklung 27 des zweiten Transformators erstreckt und die Sekundärwicklung 14 des Lade-Induktors mit einschließt, im Gesamten bei relativ niedrigen Spannungen betrieben wird. Man erhält einen guten Wirkungsgrad und eine wirtschaftliche Lösung

Claims

Patentanwalt

Dipl.-Phys.Leo Thul

Kurze Str.8 ο ο ο ο / Q C

7 Stuttgart 30 Z ö 0 ö 4 O Q

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INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Patentansprüche

Ladeschaltung für eine Pulsformerschaltung in einem Impulsmodulhtor mit einer Hochspannungsenergieversorgungseinrichtung mit einem Sieb/Lade-Kondensator und einer Schaltung zum periodischen zumindest teilweisen Entladen des Modulators zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen/ dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Hochspannungsanschluß des Sieb/Lade-Kondensators (15) und die Pulsformerschaltung (18) eine erste Diode (16) und die Primärwicklung einer Ladedrossel (13) in Serienschaltung eingefügt sind, daß die Ladedrossel (13) eine Sekundärwicklung (14) hat, so daß sie als Transformator arbeiten kann, daß eine Triggerschaltung (25) vorgesehen ist, die, wenn die augenblickliche Spannung in der Pulsformerschaltung (18) einen bestimmten Wert erreicht, einen Steuertriggerimpuls abgibt und daß durch den Steuertriggerimpuls gesteuerte Einrichtungen (26, 31, 27, 28, 32) zur Energierückführung vorgesehen sind, die einen zweiten Transformator (27, 28) enthalten, der die restliche Ladeenergie auf der Sekundärwicklung (14) der Ladedrossel (13) zu der Primärwicklung (27) des zweiten Transformators (27, 28) leitet, wobei die Sekundär-

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15.08.1978

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wicklung (28) dieses zweiten Transformators über eine zweite Diode (32) mit dem Sieb/Lade-Kondensator .(15) verbunden ist, um zumindest einen Teil der in der Ladedrossel (13) nach jedem zyklischen Entladen der Pulsformerschaltung (18) verbleibenden Energie zurückzugewinnen.
2. Ladeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Energierückführung einen elektronischen Schalter (26) in Festkörperbauweise enthalten, der den Strom zwischen der Sekundärwicklung der Ladedrossel (14) und der Primärwicklung (27) des zweiten Transformators steuert,und daß dieser Schalter von dem Steuertriggerimpuls gesteuert wird.
3. Ladeschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter ein Thyristor ist.
4. Ladeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Hochspannungsenergieversorgungseinrichtung (10) und den Sieb/Lade-Kondensator (15) eine dritte Diode (12) eingefügt ist, die so gepolt ist, daß die zurückgeführte Energie nicht zur Hochspannungsenergieversorgungseinrichtung zurückfließt.

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