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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung
steilflankiger kurzzeitiger elektrischer Impulse an einem Impulstransformator, der
im Kollektorkreis eines Transistors liegt, dessen Emitter-Basis-Kreis elektrische
Steuerimpulse zugeführt werden.
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Insbesondere dann, wenn die Wiederholungsfrequenz der Impulse durch
einen Quarz oder ein anderes Resonanzelement stabilisiert ist, haben die in Impulse
umzuformenden Ausgangsschwingungen wenigstens annähernd Sinusform. Die Kuppen der
Sinusschwingungen können durch eine Schwellwertvorrichtung od. dgl. abgeschnitten
werden, und man kann wesentlich kürzere Impulse erhalten durch Steuerung eines Verstärkerelementes,
in dessen Ausgangskreis ein Impulstransformator eingeschaltet ist; dieser hat vielfach
eine differentiierende Wirkung, so daß sich während der Anstiegsflanke ein schmaler
Impuls ergibt, während der folgende meist schwächere Impuls entgegengesetzter Polarität
durch einen Gleichrichter od. dgl. unterdrückt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich trotzdem keine
guten Ergebnisse erhalten lassen, wenn als Verstärkerelement ein Transistor verwendet
wird, der normalerweise gesperrt ist und nur während des Auftretens der Steuerimpulse
leitend wird.
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Denn durch die Kollektor-Basis-Kapazität des Transistors, die im leitenden
Zustand wesentlich größer ist als im gesperrten Zustand des Transistors, ist der
Impulsverkürzung eine Grenze gesetzt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung einer verbesserten
Schaltungsanordnung zur Erzeugung steilerer und kürzerer elektrischer Impulse, mit
der man sehr schmale Impulse erhält, die eine große Anzahl von Harmonischen beträchtlicher
Amplituden aufweisen.
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Die Erfindung besteht darin, daß zwischen der Emitterelektrode und
der Basiselektrode des Tran- , sistors zur Arbeitspunkteinstellung eine Vorspannung
wirksam ist, mittels derer der Transistor außerhalb der Steuerimpulse stark stromleitend
wird, daß an die Kollektorelektrode eine herabgesetzte Speisespannung angelegt ist,
so daß bei dieser starken Leitung der Transistor nicht überlastet wird, und daß
dem Emitter-Basis-Kreis Steuerimpulse zugeführt werden, die den Transistor kurzzeitig
nichtleitend machen.
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Es ist vorteilhaft, die Steuerimpulse über einen Transformator der
Emitter-Basis-Strecke des Transistors zuzuführen. Durch die Induktivitätswirkung
des Transformators kann die Flankensteilheit der steuernden Impulse begünstigt werden,
so daß auch die Ausgangsimpulse entsprechend verbessert sind.
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Eine besonders einfache Art der Einstellung des Arbeitspunktes ergibt
sich, wenn im Emitter-Basis-Kreis keine konstante Vorspannungsquelle eingeschaltet
ist und wenn infolge der Induktivitätswirkung der Sekundärwicklung des Transformators
Spitzenstromgleichrichtung im Sekundärkreis erzielt wird. Unter Spitzenstromgleichrichtung
soll dabei eine solche Wirkung verstanden werden, bei der die Emitter-Basis-Strecke
durch periodische Impulse gesteuert wird und während des größten Teiles der Periode
Strom führt infolge der Wirkung der in diesem Kreis liegenden Induktivität. Dies
führt bekanntlich dazu, daß ein einmal wirksam gemachter Strom nur beim Einschalten
einer höheren Gegenspannung vorzeitig unterbrochen wird. Ein eine Induktivität enthaltender
Stromkreis hat bekanntlich das Bestreben, den hindurchfließenden Strom aufrechtzuerhalten
(Trägheitswirkung), wobei die zugeführte Energie in das (ansteigende) Magnetfeld
hineingespeichert wird bzw. wobei verbrauchte Energie dem (abklingenden) Magnetfeld
entnommen wird. In dem die Transformatorinduktivität und die geöffnete Emitter-Basis-Strecke
enthaltenden Kreis klingt somit der Strom nur verhältnismäßig langsam ab, auch wenn
das steuernde Signal eine geringe Amplitude in Sperrichtung des Transistors aufweist.
Erst ein Sperrimpuls größerer Amplitude kann den Strom kurzzeitig tatsächlich unterbrechen.
Die Induktivität bringt somit eine Wirkung hervor, die einer Einstellung durch einen
von einer Gleichstromquelle gelieferten Strom entspricht.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert.
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Ein durch einen Kristall gesteuerter Sinusoszillator enthält zwei
Transistoren T1 und T2 in Gegentaktschaltung, deren Frequenz von einem zwischen
den Basiselektroden der Transistoren T1 und T2 liegenden Kristall 1 konstant gehalten
wird. Ein auf die Kristallfrequenz abgestimmter, aus der Induktionsspule
8
und dem Kondensator 10 bestehender Resonanzkreis liegt zwischen den Emitterelektroden
der Transistoren T1 und T2. Die Mitte der Induktionsspule 8 ist an Erde gelegt.
Rückkopplungskondensatoren 6 und 7 liegen zwischen den Emitterelektroden und den
Basiselektroden der Transistoren T1 und T2. Die Speisespannung wird den Kollektorelektroden
von T1 und T2 über Widerstände 2 und 3 zugeführt. Ein negatives Potential wird an
die Widerstände 2 und 3 über die Klemme 37 einer Speisespannungsquelle gelegt, deren
positiver Pol mit der geerdeten Klemme 35 verbunden ist. Eine negative Vorspannung
wird an die Basiselektroden der Transistoren T1 und T2 über Widerstände 4 und 5
zugeführt, welche mit den Kollektorelektroden der beiden Transistoren verbunden
sind. Entkopplungskondensatoren 9 liegen zwischen den Kollektorelektroden der Transistoren
T1 und T2 und Erde.
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Die sinusförmige Ausgangsschwingung des Kristalloszillators speist
eine Doppelweg-Gleichrichteranordnung, die die Funktion eines Frequenzverdopplers
erfüllt; sie enthält zwei Dioden 11 und 12, einen Transformator 17 und ein aus einem
Kondensator 13 und einem Widerstand 14 bestehendes Filter oder Vorspannungsnetzwerk.
Die Sekundärwicklung des Transformators 17 ist mittels eines Kondensators 18 auf
die zweite Harmonische der Kristallfrequenz abgestimmt.
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Die abgestimmte Sekundärwicklung des Transformators 17 speist einen
zweiten Frequenzverdoppler, welcher zwei Dioden 19 und 20, einen nicht abgestimmten
Transformator 21 und ein Vorspannungsnetzwerk 15, 16 enthält.
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An dem Transformator 21 treten Sinuskuppen auf, deren Frequenz viermal
so hoch ist wie die Grundfrequenz des Kristalloszillators mit den Transistoren T1
und T.,.
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Außerdem werden über einen Koppelkondensator 38 Schwingungen der Grundfrequenz
zugeführt einem Kreis, der aus der Induktionsspule 22, der Sekundärwicklung des
Transformators 21 und einem Kondensator 23 besteht, welche Schaltelemente gemeinsam
einen
auf die Grundfrequenz abgestimmten Kreis darstellen.
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Am Verbindungspunkt der Induktivität 22 und der Sekundärwicklung des
Transformators 21 ergibt sich infolgedessen eine Überlagerung der Grundschwingung
und der der vierten Harmonischen entsprechenden Sinuskuppen vom Transformator 21.
Diese überlagerte Schwingung wird der Basis eines Transistors T3 zugeführt, dessen
Emitter an Erde liegt. An seiner Basis wird somit ein Spannungsverlauf erhalten,
der innerhalb einer Periode der Grundschwingung eine hohe positive den Transistor
sperrende Spitze aufweist und praktisch während der übrigen Zeit beträchtliche negative,
den Transistor öffnende Werte annimmt.
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Steuerimpulsspitzen dieser Art sind verhältnismäßig breit und enthalten
nur einen kleinen Anteil von höheren Harmonischen, die zudem nur geringe Amplituden
aufweisen.
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Um einen kürzeren Impuls zu erhalten, ist im Kollektorzweig des Transistors
T3 ein Impulstransformator 27 eingeschaltet, dessen anderes Ende über einen Widerstand
25 mit dem negativen Pol 37 der Speisequelle verbunden ist. Vom Verbindungspunkt
des Widerstandes 25 mit der Primärwicklung des Impulstransformators 27 ist ein Entkopplungskondensator
24 nach Erde eingeschaltet. Der Kondensator 24 und der Widerstand 25 bilden eine
Parallelschaltung, durch die die Kollektorspannung herabgesetzt wird. Die Primärwicklung
des Transformators 27 ist von einer Diode 26 überbrückt. Wird durch die Primärwicklung
des Transformators 27 ein Strom geschickt und plötzlich unterbrochen, so führt die
in dieser Wicklung aufgespeicherte magnetische Energie zu sinusförmigen Schwingungen,
von denen schon die zweite Halbwelle durch die Wirkung der Diode 26 abgeschnitten
wird. Es tritt somit eine impulsförmige Halbwelle auf, deren Breite und deren Amplitude
von der Größe der am Transformator 27 wirksamen Kapazitäten und der Steilheit der
Stromunterbrechung abhängig sind.
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Untersuchungen, die zur Erfindung geführt haben, haben insbesondere
gezeigt, daß die Kollektorkapazität eines Transistors im gesperrten Zustand wesentlich
niedriger ist als im geöffnetem Zustand. Man erhält somit eine besonders hohe Eigenfrequenz
der Anordnung mit dem Transformator 27 und damit kurze Ausgangsimpulse, wenn der
Transformator 27 nicht durch das Einschalten des Kollektorstromes, sondern durch
dessen Unterbrechung angestoßen wird und wenn durch eine spezielle Steuerungsartdiese
Unterbrechung möglichst abrupt vor sich geht.
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Der Transistor T3 wird daher derart gesteuert, daß er geöffnet und
stark stromleitend wird und in diesem Zustand dann kurzzeitig gesperrt wird.
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Der Widerstand 25 hat einen solchen Wert, daß er bei geöffnetem Transistor
T.3 die Kollektorelektrode auf einem niedrigen Potential hält, so daß die zulässige
Verlustleistung nicht überschritten wird und somit ein Durchschlagen des Transistors
bei höheren Temperaturen verhütet ist.
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Wenn beispielsweise die Grundfrequenz des die Transistoren T1 und
T" enthaltenden Oszillators 1 MHz beträgt, ergibt sich am Ausgang des Frequenzverdopplers
11, 12, 17 eine Schwingung von 2 MHz. Das Vorspannungsnetzwerk 13, 14 verhütet eine
zu große Dämpfung des abgestimmten Kreises 8, 10.
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Die vom Kondensator 18 auf 2 MHz abgestimmte Sekundärwicklung des
Transformators 17 speist den zweiten Frequenzverdoppler 19, 20, 21. Das durch Überlagerung
mit der Grundwelle erhaltene Signal wird der Basiselektrode des Transistors T3 zugeführt.
Dieser Transistor T3 ist nach dem Prinzip der Erfindung leitend und wird durch die
Spitzen der kombinierten Schwingung am Transformator 21 nichtleitend gemacht.
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Der Basis des Transistors T3 wird eine zusammengesetzte Wechselspannung
vom Transformator 21 zugeführt. Durch den ins negative Gebiet reichenden Teil dieser
Spannung wird dabei der Transistor T3 stark geöffnet. Danach nimmt die Spannung
positive Werte an. Die Sekundärwicklung des Transformators 21 ist jedoch über die
niedrige Eingangsimpedanz des Transistors T3 weitgehend kurzgeschlossen. Infolge
der bekannten Induktivitätswirkung hat der Strom die Neigung, seinen Wert beizubehalten,
so daß der Transistor T3 auch dann noch geöffnet bleiben kann, wenn die Steuerspannung
bereits geringe positive Werte angenommen hat. Erst die stark positiv gerichteten
Spitzen können sich gegenüber der Induktivitätswirkung durchsetzen und den Transistor
T3 impulsartig sperren. Da somit die Emitter-Basis-Strecke des Transistors T3 während
des größeren Teiles der Periode geöffnet sein kann und nur während der Spitze der
Steuerspannung gesperrt wird, kann man in diesem Zusammenhang von einer Spitzenstromgleichrichtung
an der Sekundärwicklung des Transistors 21 sprechen.
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Wenn der Steuerimpuls des Transistors T.z an der Basis sperrt, ergibt
sich am Impulstransformator 27 im Kollektorzweig ein schmaler Impuls großer Amplitude,
weil die Sperrung sehr schnell vor sich geht. Weitere Schwingungen im Transformator
27 werden durch die Diode 26 gedämpft, die leitend wird, wenn die Spannung am Kollektor
des Transistors T3 nach der ersten hohen negativen Halbwelle einen positiven Wert
annehmen will. Vorzugsweise wird eine Halbleiterdiode 26 verwendet, die nichtleitend
ist, wenn die an ihr auftretende Vorwärtsspannung praktisch gleich Null ist.
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Am Transformator 27 ergeben sich somit schmale Impulse hoher Amplitude,
deren Wiederholungsfrequenz 1 MHz beträgt. Diese Impulse können noch weiter verkürzt
werden und ihre Flankensteilheit kann noch weiter erhöht werden, wenn sie einer
weiteren nach dem Prinzip der Erfindung ausgebildeten Stufe zugeführt werden.
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Eine solche nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung ausgebildete
Stufe enthält einen Transistor T4, dessen Emitter an Erde liegt. Ein negatives Potential
ist an die Basiselektrode gelegt über Widerstände 29, 30, die zwischen den Klemmen
35 und 37 der Speisequelle liegen und deren Verbindungspunkt über die Sekundärwicklung
des Impulstransformators 27 an die Basis des Transistors T4 angeschlossen ist. Der
Widerstand 29 wird mittels eines Kondensators 28 gegenüber Erde entkoppelt für die
Frequenzen des an der Sekundärwicklung des Transformators 27
auftretenden
Impulssignals. Im Kollektorzweig des Transistors T4 liegt die Reihenschaltung der
Primärwicklung eines Impulsspitzentransformators 32 und eines Widerstandes 33, der
von einem Kondensator 34 überbrückt ist. Parallel zur Primärwicklung des Transformators
32 liegt eine Dämpfungsdiode 31.
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Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, daß in dieser Schaltung
kein negatives Potential von außen
an die Kollektorelektrode des
Transistors T4 gelegt wird. Durch die negative Spannung an der Basis ist der Transistor
T4 normalerweise, so lange kein positives Steuersignal zugeführt wird, zwischen
Basis und Emitter geöffnet. Wenn der Kondensator 34 noch nicht aufgeladen ist, ist
dann auch die Basis negativ gegenüber dem Kollektor, so daß auch diese Strecke in
Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Es fließt daher auch ein Strom von der Basis zum
Kollektor und durch die Primärwicklung des Transformators 32, wodurch der Kondensator
34 negativ gegenüber Erde aufgeladen wird. Da somit in den Intervallen zwischen
den Impulsen der Kollektorstrom und der Emitterstrom gegen Erde gleiche Richtung
haben, ist der Basisstrom verhältnismäßig groß. Die sich am Kondensator 34 einstellende
Spannung ist auch von der Belastung abhängig. Es ist dadurch sichergestellt, daß
eine Überlastung des Kollektors nicht eintreten kann, so daß auch ein Transistor
mit geringer Verlustleistung verwendet werden kann. Durch Anlegen der vom Transformator
27 gelieferten positiven Impulse an die Basiselektrode des Transistors T4 wird der
Basisstrom unterbrochen und ein Impuls im Kollektortransformator 32 erzeugt.
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Es ergibt sich, daß der in der Sekundärwicklung des Transformators
32 auftretende und an der Klemme 36 abnehmbare Impuls von 1 MHz reich an Harmonischen
ist, deren Amplitude bei 70 MHz nur 25 0/u niedriger ist als die bei 10 MHz, und
daher besonders geeignet ist für Anwendungen wie z. B. in einem Frequenzstabilisierungssystem.
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Bemerkt wird, daß, obwohl die Beschreibung sich auf die Verwendung
von pnp-Transistoren bezieht, dies nicht kritisch ist, da npn-Transistoren verwendbar
sind, wenn die Spannungen dementsprechend umgepolt werden.
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Da der Transistor T3 einen niedrigen mittleren Strom führt, weil er
abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird, und der Strom des Transistors T4 gering
ist infolge der Abwesenheit einer Spannungszuführung zur Kollektorelektrode, ist
der Energieverbrauch des Impulsgenerators gering. Gewünschtenfalls kann auch dem
Transistor T4 von außen eine Kollektorspannung zugeführt werden, wenn dadurch eine
bessere Wirkung erreicht wird. Es muß dann dafür gesorgt werden, daß durch Aufrechterhaltung
einer niedrigen Kollektor-Emitter-Spannung keine Überlastung dieses Transistors
auftritt. Die vorstehend an Hand der Teile mit den Bezugszeichen 1... 20
und T1, T2 erläuterte Art der Steuerimpulserzeugung ist nicht erfindungswesentlich.