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Schaltbare Impulssperre Die Erfindung bezieht sich auf die Steuerung
bzw. An- und Abschaltbarkeit von Glättungsgliedern, insbesondere nach Art eines
Intergrationsgliedes ausgebildeten RC-Gliedern.
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Für derartige abschaltbare Glättungsglieder wurde bisher bei geringer
Anforderung an die Schaltzeit ein nach Art eines Integrationsgliedes ausgebildetes
RC-Glied mit einem Relaisschalter in der Kondensatorleitung benutzt. Derartige relaisgesteuerte
Schalteinrichtungen sind jedoch dann nicht mehr möglich, wenn der Zeitpunkt des
Ab- bzw. Anschaltens des Glättungsgliedes auf Millisekunden oder Mikrosekunden
genau festgelegt ist oder wenn die Zeitabschnitte, in denen das Glättungsglied angeschaltet
sein soll, nur im Bereich zwischen Mikro- und Millisekunden liegen.
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Eine bei Auftreten dieses Problems naheliegende Maßnahme ist es nun,
den Relaisschalter durch einen elektronischen Schalter zu ersetzen. Solche elektrischen
Schalter mit Röhren oder Transistoren als steuerbaren Schaltelementen sind allgemein
bekannt und haben neben anderen, teilweise den verschiedenen Ausführungsformen speziell
anhaftenden Eigenschaften die allen gemeinsame Eigenschaft, daß zu ihrem Betrieb
neben der unvermeidlichen Steuerquelle eine gesonderte Gleichspannungsquelle zur
Erzeugung der Betriebsspannungen vorgesehen sein muß.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist nun, den Aufwand für
solche in Verbindung mit einem Glättungsglied angewandte elektronische Schalter
auf ein Minimum zu verringern. Ausgehend von dieser Aufgabenstellung kamen die Erfinder
zu der Erkenntnis, daß es unter Voraussetzung einer bestimmten Bemessung der einzelnen
Schaltelemente des Glättungsgliedes und zusätzlich einer bestimmten Bemessung des
Steuerstromes möglich ist, die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors ohne
jede Gleichvorspannung in die Kondensatorleitung zu schalten und durch geeignete
Ansteuerung der Basis trotz des Fehlens einer Betriebs-spannung eine Schalterwirkung
zu erzielen, die sowohl hinsichtlich des Sperr-Durchlaß-Verhältnisses als auch hinsichtlich
der Sperrung kleiner Impulse günstiger als bei den bekannten elektronischen Schaltern
ist.
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Erfindungsgemäß ist eine solche schaltbare Impulssperre für Impulse,
die einer konstanten oder langsam veränderlichen Gleichspannung überlagert sind,
mit einem nach Art eines Integrationsgliedes ausgebildeten RC-Glied, dessen Zeitkonstante
wesentlich größer als die Dauer der zu sperrenden Impulse ist, so aufgebaut, daß
in die Kondensatorleitung die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors geschaltet
ist, dessen Basis zur Durchschaltung der Kondensatorleitung und damit zur Sperrung
der Impulse ein Strom zugeführt wird, der größer als der durch die wirksame Kurzschlußstromverstärkung
des Transistors geteilte größtmögliche über den Kondensator abfließende Impulsstrom
ist, so da-ß die Impulsströme innerhalb des Anlaufstromgebietes und die durch diese
bewirkten Kollektor-Emitter-Spannungen unterhalb der Knickspannung des Transistors
liegen und dementsprechend zufolge der großen Steigung der Ic-U("j..--Kennlinie
im Anlaufstromgebiet der Durchlaßwiderstand der Kollektor-Ernitter-Strecke sehr
gering ist, und daß ferner die Kollektor-Emitter-Spannung bei Durchschaltung der
Kondensatorleitung während aller Zeitabschnitte, in denen keine Impulse über den
Kondensator abfließen, praktisch gleich Null ist.
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Zur Sperrung von Impulsen beliebiger Polarität, also z. B. von Impulsfolgen,
die teilweise positive und teilweise negative Impulse enthalten, ist als Transistor
ein symmetrischer Transistor vorzusehen.
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Soll hingegen die Impulssperre im wesentlichen nur Impulse einer Polarität
sperren, so ist als Transistor ein asymmetrischer Transistor vorzusehen. Dabei kann
die Sperrung von im wesentlichen positiven Impulsen mittels eines pnp-Transistors,
dessen Kollektor mit der Erdleitung des RC-Gliedes verbunden ist, oder nüttels eines
npn-Transistors, dessen Ernitter mit der Erdleitung des RC-Gliedes verbunden ist,
erzielt werden.
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Zur Sperrung von im wesentlichen negativen Impulsen hingegen ist entweder
ein pnp-Transistor,
dessen Emitter mit der Erdleitung des RC-Gliedes
verbunden ist, oder ein npn-Transistor, dessen Kollektor mit der Erdleitung des
RC-Gliedes verbunden ist, zu verwenden.
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Vorteilhaft kann der Widerstand R des RC-Gliedes oder ein Teil desselben
durch den Innenwiderstand des am Eingang der Impulssperre liegenden Generators gebildet
sein.
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Der Widerstand R ist vorzugsweise so zu bemessen, daß die größtmöglichen
Impulse einen Kurzschlußstrom durch R ergeben, der gleich dem oder kleiner als der
mit der wirksamen Kurzschlußstromverstärkung multiplizierte Basisstrom des Transistors
ist.
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An Hand der folgenden Figuren ist die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine erfindungsgemäße steuerbare Impulssperre
mit einem pnp-Transistor zur Sperrung von im wesentlichen negativen Impulsen, Fig.
2 eine erfmdungsgemäße steuerbare Impulssperre mit einem npn-Transistor zur Sperrung
von im wesentlichen positiven Impulsen, Fig. 3 eine Ic-UcE-Kennlinie eines
Transistors zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung. Impulssperrschaltungen
der im folgenden beschriebenen Art können an den verschiedensten Stellen in elektronischen
Schaltungen verwendet werden, so z. B. bei Verstärkern, die nur kurzzeitig aktiv
gemacht werden sollen, bei Phasendiskriminatoren mit besonderen Anschlußbedingungen
und im allgemeinen in allen den Fällen, in denen einem unbestimmten statisehen Potential
überlagerte Signale zeitweise zu sperren sind. Das statische Potential kann sich
dabei, ohne daß die Wirkung der Schaltung beeinträchtigt wird, während des Betriebes
der Schaltung ändern, solange nur die Zeitkonstante einer solchen Änderung genügend
groß ist.
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Die Forderungen, die zur universellen Verwendbarkeit an eine solche
Impulssperre gestellt werden müssen, sind im wesentlichen folgende: a) Geringe Umschaltzeiten
(Verineidung der Umladung einer Kapazität).
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b) Verhinderung eines durch Umschalten der Sperre verursachten
Fehlsignals.
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c) Unabhängigkeit vom statischen Potential des Impulskreises.
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d) Wirksamkeit auch für kleine Signale.
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e) Wirksamkeit für Impulse entweder nur positiver oder nur negativer
Polarität oder für Impulse sowohl positiver als auch negativer Polarität. Die Forderungen
b), c) und d) sind im allgemeinen durch ein entsprechend dimensioniertes
und nach Art eines Integrationsgliedes ausgebildetes RC-Glied erfüllbar, dessen
Zeitkonstante wesentlich größer als die Dauer der zu sperrenden Impulse ist, und
in deren Kondensatorleitung ein steuerbarer und mittels eines hohen Widerstandes
überbrückter Kontakt liegt. Für die Forderung a), also für eine geringe Umschaltzeitkonstante,
ist neben der Bedingung, daß die Umladung einer Kapazität tunlichst zu vermeiden
ist, anstatt des Kontaktes ein Schaltglied mit möglichst geringer Schaltzeit erforderlich.
Als solches ist insbesondere ein Transistor gut geeignet. Die Forderung e) läßt
sich nur mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung in einfacher Weise befriedigend
lösen. Im folgenden sei nun die Wirkungsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltung
näher erläutert. Am Punkt A liegt ein statisches Potential, dem Impulse bestimmter
maximaler Höhe und bestimmter maximaler Dauer überlagert sind. Für die Schaltung
besteht die Forderung, daß bei Einschalten der Impulssperre alle negativen Impulse
gesperrt werden.
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Das die Schaltung im wesentlichen charakterisierende RC-Glied ist
so bemessen, daß dessen Zeitkonstante
ist. Mit Ri ist dabei der Innenwiderstand des am Punkt A anliegenden Generators
bzw. der wirksame Innenwiderstand an diesem Schaltpunkt bezeichnet. Die Größe R"
bezeichnet den am Punkt B liegenden Abschlußwiderstand. Mit -ri", ist die maximale
Dauer der am Punkt A anliegenden Impulse bezeichnet.
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Bei einer solchen Bemessung der Einzelelemente der Schaltung werden
die Impulse für den Fall, daß der Transistor Tr durchgeschaltet ist, in der für
nach Art eines Integrationsgliedes ausgebildeten RC-Gliedern bekannten Art
und Weise über den Kondensator C abgeleitet, so daß am Ausgang B keine Impulse
mehr auftreten.
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Die das Wesen der Erfindung bildende Steuerbarkeit der Impulssperre
beruht nun auf folgender Wirkungsweise des Transistors Tr (Fig. 1):
Zur Durchschaltung
der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors wird der Basis desselben ein Strom
IB zugeführt, dessen Größe durch die maximale Höhe der abzuleitenden Impulse bestimmt
ist. Bezeichnet man mit UI., diejenige Spannung, die der am Punkt A
liegende
Generator bei Impulsen maximaler Höhe im Leerlauf als Impuls-Spitzenspannung abgibt,
und weiterhin mit a die Kurschlußstromverstärkung des Transistors in Emitterschaltung,
so muß der Basisstrorn IB folgende Mindesthöhe haben:
Ist diese Voraussetzung erfüllt, so würde bei Anlegen einer die Knickspannung des
Transistors überschreitenden Batteriespannung an die Kollektor-Emitter-Strecke und
bei eingeschaltetem Basisstrom ein Kollektorstrom der Größe
fließen, wobei die IC-UCE-Kennlinie im Prinzip wie in Fig. 3 gezeigt, verlaufen
würde. Wie ebenfalls aus Fig. 3 ersichtlich, ist jedoch die Kollektorspannung
des Transistors Tr in Fig. 1 im statischen Zustand, also wenn kein Strom
über den KondensatorC abfließt, gleich Null (oder genauer gesagt nahezu gleich Null,
es verbleibt eine Transistor-Restspannung), weil der Kollektorstrom gleich Null
ist. Fließt nun über den Kondensator C ein Impulsstrom ab, so kann dieser
definitionsgemäß maximal die Höhe
erreichen. Demgemäß wird der Transistor Tr durch einen solchen über den KondensatorC
abfließenden
Impulsstrom nur innerhalb seines Anlaufstromgebietes,
also dem steil verlaufenden Stück der 1(.-Ucl.#,-Kennlinie, ausgesteuert, und die
am Transistor abfallende Kollektor-Emitter-Spannung ist in jedem Falle kleiner als
die Knickspannung. Damit ist der Durchlaßwiderstand des Transistors im durchgeschalteten
Zustand relativ gering; er bewegt sich bei den gängigen Transistortypen etwa in
der Größenordnung von 1 bis 10 Ohm. In Fig. 3 ist weiterhin
an einem Beispiel der zeitliche Verlauf der Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors
bei Abfließen eines Impulses über den Kondensator C gezeigt. Die rechts neben
der zum Kennlinien-Koordinatensystem gehörigen Abszisse dargestellte Zeitfunktion
ist dabei der über den Kondensator abfließende Impuls, die unterhalb der Ordinate
dargestellte Funktion der zeitliche Verlauf der Kollektor-Emitter-Spannung beim
Durchfließen dieses Impulses. Man erkennt aus dem letztgenannten Spannungsverlauf,
daß die Wirksamkeit der Schaltung für kleine Signale durch die Transistor-Restspannung
begrenzt ist.
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Bei der vorangegangenen Erörterung des durchgeschalteten Zustandes
war ungesagt vorausgesetzt worden, daß die über den Kondensator abfließenden Impulse
eine solche Polarität haben, daß sie einen Spannungsabfall in negativer Richtung
zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Transistors erzeugen, so daß also der
Transistor in seiner normalen Verschaltung (Kollektoranschluß als Kollektor, Emitteranschluß
als Emitter) betrieben wird. In diesem Falle weist der Transistor, zumindest dann,
wenn es sich um einen asymmetrischen Transistor handelt, auch einen relativ hohen
Kurzschlußstromverstärkungswert auf. Für Impulse entgegengesetzter Polarität hingegen
würde der Transistor in seiner inversen Verschaltung (Kollektoranschluß als Emitter,
Emitteranschluß als Kollektor) betrieben, in welcher asymmetrische Transistoren
eine wesentlich geringere Stromverstärkung aufweisen. Demgemäß werden bei Verwendung
eines asymmetrischen Transistors die Impulse entgegengesetzter Polarität nur bis
zu einer Höhe gesperrt, die im Verhältnis der Kurzschlußstromverstärkungen niedriger
als diejenige Höhe liegt, bis zu der Impulse der richtigen Polarität (für deren
Sperrung die Schaltung ausgelegt ist) gesperrt werden.
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Sollen Impulse sowohl positiver als auch negativer Polarität gesperrt
werden. so ist dementsprechend anstatt eines asymmetrischen Transistors ein symmetrischer
Transistor zu verwenden. Allgemein können sowohl zur Sperrung von im wesentlichen
positiven Impulsen wie auch zur Sperrung von im wesentlichen negativenlmpulsen asymmetrischeTransistoren
sowohl der Zonenfolge pnp wie auch der Zonenfolge npn verwendet werden, wobei in
jedem Einzelfall das Ansteuerpotential der Basis derart zu wählen ist, daß zur Durchschaltung
der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors die Basis-Emitter-Strecke in den Durchlaßbereich
gesteuert wird und daß zur Auftrennung der Kollektor-Emitter-Strecke die Basis-Emitter-Strecke
in den Sperrbereich gesteuert wird, und wobei ferner darauf zu achten ist, daß die
Kollektor- und Emitteranschlüsse der Transistoren jeweils so verschaltet werden,
daß die zu sperrenden Impulse je-
weils einen derart gerichteten Spannungsabfall
zwischen Emitter und Kollektor des Transistors erzeugen, daß der Transistor in seinem
normalen Schaltungszustand (Kollektoranschluß als Kollektor, Emitteranschluß als
Emitter) arbeitet. Zur Sperrung sowohl positiver als auch negativer Impulse ist,
wie schon erwähnt, ein symmetrischer Transistor zu verwenden, der entweder die Zonenfolge
pnp oder die Zonenfolge npn aufweisen kann. Dabei gilt hinsichtlich des Ansteuerungspotentials
der Basis das gleiche wie für asymmetrische Transistoren. Hingegen ist die Verschaltung
des Kollektor-und Emitteranschlusses frei wählbar.
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Sollen die Impulse vom Punkt A (Fig. 1) zum Punkt B
durchgelassen werden, so ist der Transistor zu sperren. Diese Sperrung des Transistors
erfolgt durch Anlegen eines entsprechenden Basispotentials in der Weise, daß die
Basis-Emitter-Strecke in Sperrrichtung vorgespannt ist. Die Höhe der Vorspannung
ist größer gleich der maximalen Impulsamplitude, die am Punkt B auftreten kann,
zu wählen. Unter dieser Voraussetzung erscheint am Punkt B das Eingangssignal im
Teilverhältnis des Abschlußwiderstandes R, zum Gesamtwiderstand (R +
R"). Bei gesperrtem Transistor wird der KondensatorC infolge des Reststromes über
den Transistor auf dem gleichen Potential gehalten, so daß bei Einschalten der Sperre,
also bei Entsperrung des Transistors, keine Nachladung des Kondensators
C erforderlich ist und demgemäß auch beim Umschalten des Transistors kein
durch dieses Umschalten verursachtes Ausgangssignal abgegeben wird.
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Die Umschaltzeiten sind nur durch die Eigenschaften des verwendeten
Transistors bestimmt und können, je nach Grenzfrequenz des Transistors, sehr
klein gehalten werden. Dabei ist ein Transistor mit einer um so höheren Grenzfrequenz
zu wählen, je geringer die Umschaltzeiten sein sollen.
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In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Anordnung zur Sperrung von im wesentlichen positiven Impulsen gezeigt. Die Wirkungsweise
dieser Schaltung ist die gleiche wie oben schon für Fig. 1 näher erläutert.
Es ist zu bemerken, daß für die Fig. 2 ebenso wie für die Fig. 1 die Verwendung
eines asymmetrischen Transistors vorausgesetzt ist. Es könnte jedoch ebensogut stattdessen
ein symmetrischer Transistor Verwendung finden, wobei die Schaltung dann zur Sperrung
von sowohl positiven wie auch negativen Impulsen geeignet wäre. Die im Zusammenhang
mit Fig. 1 aufgestellten Bedingungen für die Bemessung der Schaltelemente
sowie der Ansteuerpotentiale gelten entsprechend auch für das in Fig. 2 gezeigte
Ausführungsbeispiel.