DE1144331B

DE1144331B - Bootstrap-Schaltung

Info

Publication number: DE1144331B
Application number: DET17723A
Authority: DE
Inventors: Jack Caylor Smeltzer
Original assignee: Thompson Ramo Wooldridge Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1959-12-22
Filing date: 1960-01-14
Publication date: 1963-02-28

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

T17723 Vraa/21a¹

ANMELDETAG: 14. J A N U A R 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT: 28. F E B R U A R 1963

Die Erfindung betrifft Generatoren, die Spannungskurven mit linearisiertem Anstieg liefern. Es gibt bereits Bootstrap-Schaltungen, bestehend aus einem Kondensator, der durch einen parallel geschalteten Schalter entladen und danach über einen in Reihe liegenden Aufladewiderstand von einer Spannungsquelle wieder aufgeladen wird, und einem als Emitterverstärker geschalteten Transistor, dessen Basis mit dem Kondensator und dessen Emitter über eine Rückkopplungsleitung mit dem vom Kondensator abliegenden Ende des Aufladewiderstandes verbunden ist. Bekanntlich muß bei einer solchen Bootstrap-Schaltung, die eine lineare Sägezahnspannung liefern soll, beim Aufladen des Kondensators an dem in Reihe zum Kondensator liegenden Aufladekondensator eine konstante Spannung liegen. Eine bekannte Maßnahme zur Erzielung eines konstanten Ladestromes besteht darin, einen Kondensator zu verwenden, der in der Rückkopplungsleitung liegt, die von der Ausgangselektrode des Emitterverstärkers (oder Kathodenverstärkers) zum oberen Ende des Ladewiderstandes führt. Eine im wesentlichen lineare Sägezahnspannung erzielt man bei einer derartigen Anordnung aber nur dann, wenn sich beim Aufladen des parallel zu dem Schalter angeordneten Kondensators die Spannung an dem in der Rückkopplungsleitung angeordneten Kondensator nicht ändert, d. h., wenn die Kapazität des letztgenannten Kondensators sehr viel größer ist als die Kapazität des aufzuladenden Kondensators. Es ist also bei diesen bekannten Schaltungen ein Kondensator mit sehr hoher Kapazität und daher mit großen Abmessungen erforderlich. Da jedoch die Spannung jedes Kondensators durch Ladungsverluste mit der Zeit absinkt, ändert sich auch die am Ladekondensator liegende Spannung, was sich wiederum auf die Linearität der Sägezahnspannung auswirkt. Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Bootstrap-Schaltung der obengenannten Art so zu verbessern, daß sie mit Sicherheit eine absolut lineare Sägezahnspannung liefert und dabei von einfachem Aufbau ist, insbesondere zur Erzielung eines konstanten Ladestromes keine Kondensatoren von hoher Kapazität und großen Abmessungen erfordert.

Um das zu erreichen, wird bei einer Bootstrap-Schaltung der obengenannten Art erfindungsgemäß die Anordnung so getroffen, daß zur Konstanthaltung des beim Aufladen des Kondensators durch den Aufladewiderstand fließenden Stromes in die Rückkopplungsleitung eine Zenerdiode eingebaut ist.

Die Verwendung von Zenerdioden ist wie die Verwendung von Kondensatoren für Zwecke der Span-Bootstrap-Schaltung

Anmelder:

Thompson Ramo Wooldridge Inc.,
Los Angeles, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. M.Licht,

München 2, Sendunger Str. 55,

und Dr. R. Schmidt, Oppenau (Renchtal),

Patentanwälte

Jack Caylor Smeltzer, Woodland Hills, CaHf.

(V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

nungsstabilisierung seit längerem bekannt. Auch ist es seit längerem bekannt, eine Zenerdiode als Kopplungsglied zwischen zwei Verstärkerelemente zu schalten. Im vorliegenden Fall führt die hieor neuartige Verwendung einer Zenerdiode in der oben angegebenen Weise zu einem unerwarteten technischen Fortschritt und einer Vereinfachung.

Es folgt eine Beschreibung der Erfindung an Hand der im folgenden aufgezählten Zeichnungen.

Fig. 1 ist ein Schaltschema eines dem Stande der Technik angehörenden, mit Transistoren bestückten Sägezahnschwingungsgenerators, der

gezeigt wird, um das Verständnis der Erfindung zu unterstützen;

Fig. 2 ist ein Schaltschema eines ebenfalls bekanntön, mit Transistoren bestückten Schwingungsformgenerator, der gezeigt wird, um das Verständnis für die Erfindung zu unterstützen;

Fig. 3 ist ein Schaltschema eines Musters der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 ist ein Schaltschema eines bekannten Sägezahnschwingungsgenerators. Er enthält einen Transistor 10 mit den Elementen Basis 12, Emitter 14 und Kollektor 16. Zwischen den Kollektor 16 und den Emitter 14 ist ein Kondensator 18 eingeschaltet. Ein Ladezweig für den Kondensator 18 enthält einen Widerstand 20, der den Kondensator 18 mit einer Spannungsquelle 22 verbindet. Der Emitter 14 ist geerdet. Eine Diode 24 verbindet den Kondensator 18

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mit einer Begrenzungsspannungsquelle 26. Der Aus- Fig. 3 ist ein Schaltschema eines Erfindungsgang kann von einer Klemme 28 entnommen werden, musters, das lineare Sägezahnschwingungsformen die an dem Verbindungspunkt zwischen dem Wider- unter Benutzung von Transistoren, jedoch Vermeistand 20 und Kondensator 18 angeschlossen ist. Um dung hoher Spannungen liefert. Der Transistor 10 eine Sägezahn-Atisgangsspannung 32 abzuleiten, wer- 5 führt die gleiche Entladefunktion für den Kondenden Impulse 30 der gezeigten Art an die Eingangs- sator 18 durch, wie es im Zusammenhang mit Fig. 1 klemme 11 angelegt, die mit der Basis 12 des Tran- besahrieben war. Eine Spannungsquelle 60 ist über sistors 10 verbunden ist. Jeder Impuls macht es dem einen Widerstand 62 an dem Ladewiderstand 20 anKondensator 18 möglich, sich zwischen Kollektor und geschlossen. Ein zweiter Transistor 64 mit einer Basis Emitter zu entladen. Danach bei Beendigung des Im- io 66, einem Kollektor 68 und einem Emitter 70 wird pulses gelangt Ladepotential" durch den Widerstand verwendet. Ein Belastungswiderstand 72 liegt zwi-20 in den Kondensator 18. sehen einer Quelle 74 negativer Spannung und dem

Nachdem der Transistor 10 sperrt, lädt sich der Emitter 70. Eine Quelle 76 der Begrenzungsspannung Kondensator im Sinne des Wertes der Spannungs- ist an dem Kollektor 68 angeschlossen. Ein Rückquelle 22 auf, bis er den Wert der Begrenzungsspan- 15 kopplungsweg ist für den Widerstand 20 vorgesehen, nungsquelle 26 erreicht. Um den Anstieg der Span- Dieser Weg enthält eine Diode 78 mit der Charaktenung, der gleich dem verlangten Sägezahnanstieg ist, ristik, daß der Spannungsabfall an ihr im wesentlinear zu gestalten, muß der Wert der Spannungs- liehen trotz Änderungen im durchgehenden Strom quelle 22 sehr viel größer als der Wert der Begren- gleichbleibt. Die Diode 78 ist eine an sich bekannte zungsspannungsquelle 26 oder groß genug gemacht 20 Zenerdiode. Sie hat die verlangte Charakteristik werden, daß der Kondensator sich linear während der innerhalb eines besonderen Spannungsbereiches, der Zeitspanne auflädt, in der die Diode 24 nicht leitet. aus ihrer Kennlinie zu entnehmen ist. Oft ist es unbequem, wenn nicht unmöglich, ein Beim Betrieb möge ein schmaler Impuls 30 an der

Hochspannungs-Ladepotential mit Transistoren zu- Basis 12 des Transistors 10 angelegt werden. Damit sammen zu benutzen. Infolgedessen verlangt man, die 25 wird der Transistor 10 leitfähig, wodurch der Kon-Linearität auf anderem Wege zu erreichen. Der densator 18 entladen wird. Am Ende des Impulses Bootstrap-Kreis ist ein bekanntes Mittel zum Er- wird der Transistor 10 ein hoher Widerstand parallel reichen der Linearität ohne hohe Spannungen. Er zum Kondensator 18, und dieser lädt sich dann über benutzt eine Entladungsröhre und einen Kathoden- , „,., . , „_{Λ £ΤΛ TJi} · ^. E. ■ verstärker, um die Ladtenergie zurückzugewinnen. 30 ^{den Wlderstand 20 auf}· ^Der Ladestrom ist -£, wo

Fig. 2 ist ein Schaltschema und zeigt einen Tran- E_x die Zenerspannung der Zenerdiode 78 und R_x der sistor-Bootstrap-Kreis in Anlehnung an einen mit Wert des Ladewiderstandes 20 ist. Die Ausgangsspan-Röhren bestückten Kreis zum Erzeugen von Säge- nung£?₀, die vom Emitter des Transistors 64 abgezahnschwingungsformen. Der Röhrenkreis ist gut be- nommen wird, folgt sehr genau der Spannung am kannt und in dom Buch »Schwingungsformen« von 35 Kondensator 18 wegen der Emitterverstärkerschal-Chance und anderen, herausgegeben von der tang. Jedoch läßt die Charakteristik der Zenerdiode McGraw-Hill Book Company, 1949, auf den S. 269 78 deren Spannungsabfall unverändert, während die und 270 gezeigt und beschrieben. Der Transistorkreis Spannung am Kondensator 18 sich ändert. Auch die enthält einen Entladekreis für den Kondensator 18, Spannung am Ladewiderstand20 wird so unverändert der wie zuvor einen Transistor 10 mit der Basis 12, 40 gehalten, da die Basis-Emitter-Spannung des Trandem Kollektor 16 und dem Emitter 14 einschließt sistors 64 sehr gering und ihre Änderung unbedeu- und denselben Funktionen dient, wie sie in Fig. 1 tend im Vergleich zum Wert der Zenerspannung ist. gezeigt und beschriebem waren. Der Ladewiderstand Für die Spannungsquelle 60 und den Widerstand 62 20 ist über eine Diode 41 mit einer Spannungsquelle hat man die Werte so ausgewählt, daß sie dazu bei-40 verbunden. Außer dem Ladezweig von der Span- 45 tragen, die Zenerdiode 78 im besten Teil ihrer Kennnungsqueüe 40 ist ein anderer Zweig vorgesehen, der linie arbeiten zu lassen. Die Spannungsquelle 74 einen Transistor 42 mit einem Kollektor 44, einer spannt den Transistor 64 für die Emitterverstärker-Basis 46 und einem Emitter 48 enthält. Die Basis 46 tätigkeit vor.

des Transistors 42 ist mit dem Verbindungspunkt des Der Transistor 64 führt eine zweite Funktion in

Widerstandes 20 und des Kondensators 18 verbun- 50 diesem Kreise durch, die der Funktion der Diode 24 den. Ein Belastungswilderstand 50 ist an dem Emitter in Fig. 1 ähnelt. Wenn die Spannung am Kondendes Transistors 42 angeschlossen. Die Betriebsspan- sator 18 den Wert der Begrenzungsspannung 76 übernungsquelle 52 liegt am Kollektor 44 des Transistors schreitet, leitet der Basis-Kollektor-Übergang des 42. Außerdem ist eine Quelle 52 negativer Spannung Transistors 64 schwer und begrenzt die Spannung, an dem Widerstand 50 angeschlossen. Ein Konden- 55 auf die der Kondensator 18 geladen werden kann, sator 54 liegt zwischen dem Emitter 48 und dem Der Wert der Spannungsquelle 76 kann eingerichtet Ende des Widerstandes 20, das mit der Diode 41 werden, um den Höchstwert zu begrenzen, den die verbunden ist. Spannung am Kondensator 18 erreichen kann. Der

Die Anordnung für den Transistor 42 läßt sich als in Fig. 3 gezeigte Kreis kann entweder einen einzigen ein Emitterverstärker ansprechen, der das Transistor- 60 Sägezahnspannungsanstieg als Ausgang in Abhängiggegenstück eines Kathodenverstärkers ist. Der in keit zu einem einzigen Impulseingang oder eine Fig. 2 gezeigte Kreis arbeitet nicht zur Erzeugung von Schwingungsform 80 am Emitter 70 in Abhängigkeit Sägezahnspannungen der mit Bezugsnummer 32 be- zu wiederholten Impulsen mit der Sohwingungsform zeichneten Art, weil der Kondensator 54 sich entlädt 30 liefern.

und dadurch verhindert, daß eine gleichbleibende 65 Weiter ist zu bemerken, daß, während die Erfin-Spannung während der Ladezeit des Kondensators dung in den obigen Beschreibungen so geschildert am Widerstand 20 aufrechterhalten wird; hier- wurde, wie sie in Abhängigkeit von einem Impuls durch wird der erhaltene Sägezahnanstieg nichtlinear. oder von Impulsen betrieben werden kann, um eine

Sägezahnspannung hervorzubringen, der Nutzen der Erfindung nicht darauf einzuschränken ist. Wo man wünscht, unmittelbar den Anstieg oder den Kondensatorladeteil der Ausgangsschwingung zu erhalten, ohne erst den Kondensatorentladeteil der Schwingungsform durchlaufen zu müssen, so wird der Transistor 10 durch Anbringen einer Vorspannung an der Basis 12 leitend gehalten. Damit bleibt der Kondensator 18 in seinem entladenen Zustand. Unmittelbar nach Wegnahme der Vorspannung erreicht der Transistor 10 einen hohen Impedanzwert, und der Kondensator 18 kann aufgeladen werden, um so die verlangte Sägezahnspannung unmittelbar zu liefern. Bei Wiederanlegen der Vorspannung wird dann der Kondensator 18 schnell auf seinen Ruhestand entladen. Diese Betriebsweise kann man vorziehen, wenn man wünscht, die übliche Art von Kathodenstrahlenröhren-Sichtverfahren durchzuführen. In Wirklichkeit kann die Wegnahme der Vorspannung von der Basis des Transistors 10 durch einen Impuls mit einer geeigneten Polarität zur Überwindung dieser Vorspannung bewerkstelligt werden.

Aus der obigen Beschreibung ist zu entnehmen, daß mit dieser Erfindung eine Schaltungsanordnung geschaffen ist, mit der eine lineare Sägezahnspannungsschwingungsform unter Benutzung von Transistoren und niedrigen Spannungen erzeugt werden kann. Es gibt wegen der unmittelbar gekoppelten Eigenschaft des Rückkopplungsweges einschließlich der Zenerdiode keine untere Grenze für die Betriebsfrequenz. Sägezahnspannungen können mit besserer Linearität erzeugt werden, weil eine gleichbleibende Spannung am Ladewiderstand im Hinblick auf die Betriebskennlinien der Zenerdiode dauernd aufrecht erhalten wird. Die Spannung 60 sorgt für die Ladespannung, jedoch ist die Linearität der Sägezahnspannung im Hinblick auf die regelnde Tätigkeit des Rückkopplungsweges einschließlich der Zenerdiode im wesentlichen unabhängig von dem Wert der Spannungsquelle 60 geworden.

Die Tatsache, daß diese Erfindung unter Verwendung von Transistoren der npn-Type mit positiven Spannungen an den Kollektoren gezeigt wurde, ist nicht als eine Einschränkung auszulegen, da die Fachleute schnell erkennen, daß pnp-Typen und andere Transistortypen mit der richtigen Polarität der angelegten Spannungen und der benutzten Zenerdiode Anwendung finden können, ohne vom Geist und Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Bootstrap-Schaltung, bestehend aus einem ίο Kondensator, der durch einen parallel geschalteten Schalter entladen und danach über einen in Reihe liegenden Aufladewiderstand von einer Spannungsquelle wieder aufgeladen wird, und einem als Emitterverstärker geschalteten Transistor, dessen Basis mit dem Kondensator und dessen Emitter über eine Rückkopplungsleitung mit dem vom Kondensator abliegenden Ende des Aufladewiderstands verbunden ist, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Konstanthaltung des beim Aufladen des Kondensators (18) durch den Aufladewiderstand (20) fließenden Stroms in die Rückkopplungsleitung eine Zenerdiode (78) geschaltet ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Vorspannung der Zenerdiode in den Spannungsstabilisierenden Bereich der Emitter (70) des als Emitterverstärker geschalteten Transistors (64) über einen Widerstand (72) an eine negative Potentialquelle (74) angeschlossen ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (78) des Transistors (64) auf einem Begrenzungspotential (76) liegt, welches über die Basis-Kollektor-Verbindung des Transistors (64) beim Aufladen des Kondensators (18) den linearen Spannungsanstieg nach oben begrenzt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Electronic Engineering«, Februar 1958, S. 61 bis 65;

»Waveforms« von B. Chance, V. Hughes u. a., McGraw-Hill Book Co., New York, 1949, S. 258 und 269.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen