DE3041582C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Last mit Signalen hoher Spannung und großer Anstiegsgeschwin­ digkeit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Schwierigkeit bei der Auslegung eines Verstärkers für an­ nehmbare Ausgangsströme bei Spannungen von etwa 3 kV besteht darin, daß einzelne Transistoren für solche Werte nicht erhält­ lich und Techniken wie Reihenschaltung mehrerer Transistoren erforderlich sind. Die an diese Ausgangstransistoren gekoppel­ ten Schaltkreise müssen bis zu 3 kV Gleichspannung spannungs­ fest sein, dürfen den Verstärkerausgang nicht nennenswert auf­ laden und dürfen nicht gegenüber Signalen empfänglich sein, die durch einen steilen Anstieg der Ausgangsspannung induziert wer­ den. Herkömmliche Kopplungstechniken genügen nicht diesen Kri­ terien. Außerdem ist die Gestalt jedes Ausgangselementes kri­ tisch, da die hohen Anstiegsgeschwindigkeiten der Ausgangsspan­ nung recht erhebliche Ströme auch in kleinen kapazitiven Lasten verursachen.

Im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist eine bekannte Schal­ tungsanordnung (US 38 29 788) berücksichtigt, bei der nieder­ frequente Spannungen dadurch verstärkt werden, daß eine hoch­ frequente Trägerwelle mit der niederfrequenten Spannung modu­ liert und dann das hochfrequente Signal in zwei Brückengleich­ richtern demoduliert wird, um den hohen Aufwand für die Ver­ stärkung von niederfrequenten Signalen zu sparen. Mit der be­ kannten Schaltungsanordnung wird somit eine hochfrequente Hoch­ spannung nicht erzeugt.

Ferner ist ein Hochgeschwindigkeitsverstärker bekannt (US 31 89 839), bei dem ebenfalls eine Trägerwelle moduliert und demoduliert wird. In einer anderen bekannten Schaltung (CH 3 68 824) werden die von einzelnen Transistoren einer Reihen­ schaltung gelieferten Spannungen vergleichmäßigt, indem mittels eines Potentiometers mit entsprechenden Anzapfungen, die zu der Basis eines Transistors führen, die Anteile der Ausgangsspan­ nung an zwei Transistoren konstant gehalten werden. Bei einem bekannten Verstärker für Hochspannung und hohe Frequenz (US 35 01 712) sind zwei komplementäre Schaltungszweige für Push- Pull-Betrieb vorgesehen, von denen jeder Zweig zwei in Reihe geschaltete Transistorkombinationen aufweist.

Demgegenüber liegt die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, sehr hohe Spannungen mit großer Anstiegsgeschwindigkeit zu erzeugen.

So soll in einem Anwendungsbeispiel mit der Schaltungsanord­ nung eine kapazitive Last von etwa 30 pf zwischen 0 und 6 kV in zwei µs bei einer Wiederholfrequenz von 100 kHz angesteu­ ert werden. Hierzu hat man eine Brückenschaltung mit insgesamt 20 Ausgangsgliedern in Doppelgegentaktschaltung verwendet.

Jedes Ausgangsglied kann bis zu 3 kV Gleichstrom zwischen Ein­ gang und Masse haben, und jede kapazitive Kopplung infolge der Eingangskreise würde als zusätzliche Last auf dem Ausgang er­ scheinen. In einigen Anwendungsfällen wäre es möglich gewesen, den erforderlichen Strom über eine Schnittstelle mit 3 kV Gleichspannungsfertigkeit bei Verwendung einer Transformator­ kopplung zu erzeugen. Zum Steuern eines Lichtmodulatorkristalls in dem obenerwähnten Anwendungsfall war es erforderlich, daß der Verstärker auch bei Gleichstrom arbeitet.

Es wurde auch ein Opto-Isolator in Betracht gezogen, der jedoch nicht geeignet ist, da für eine annehmbare Übertragungsleistung und Linearität ein Fototransistor als Empfänger benutzt werden muß, und da die Streukopplungskapazität in die Basis des Tran­ sistors zu Schwierigkeiten bei Anstiegen von 1500 Volt/µs führte.

Die vorgenannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Form des bevorzugten Verstärkers,

Fig. 2 eine vereinfachte Form einer Ausgangsstufe des bevor­ zugten Verstärkers,

Fig. 3a die Art und Weise, in welcher die Steuersignale für die Ausgangsstufen abgenommen werden,

Fig. 3b die Art und Weise, in welcher die Steuersignale auf die Ausgangsstufen übertragen werden,

Fig. 4 den Schaltkreis einer Ausgangsstufe,

Fig. 5 eine Vorrichtung der Art, auf die die Erfindung vor­ teilhaft Anwendung finden kann.

Fig. 1 der Zeichnungen zeigt zwei Gegenphasen­ federspannung ϕ und , die Außen- bzw. Innenpaare von Modulen 8 steuern, die in Reihenschaltung zwischen einer positiven 3 kv Spannungsleitung und einer negativen 3 kv Spannungsleitung verbunden sind. Die kapazitive Last ist von der Verbindung der ersten und zweiten Module an die Verbindung der dritten und vierten Module angeschlossen. Es ist zu beachten, daß die­ ser Schaltkreis als eine Brückenanordnung umgezeichnet werden kann. Jedes Modul enthält fünf reihengeschaltete Transistoren.

Fig. 2 zeigt die grundlegende Form für jede der zwanzig Aus­ gangsstufen zusammen mit der Eingangskupplungskapazitanz. Es wird ein in der Amplitude moduliertes rf-Signal über einen Kon­ densator 10 von einem pf auf ein abgestimmtes Filter 12 über tragen, welches das induzierte Signal aufgrund der Schnellnach­ führung zurückweist. Das resultierende Signal steuert eine Strom­ quelle 14 in Reihenschaltung mit einem Transistor 16, wobei die Stromquelle und der Transistor in Parallelschaltung mit einem Verstärkerkreis 18 liegen. Der 1 pf Kondensator 10 überträgt auf den Verstärker eine sehr geringe zusätzliche Last und stellt dennoch eine ziemlich niedrige Impedanz gegenüber dem modulier­ ten rf-Signal dar, welches in diesem Falle eine Trägerfrequenz von 20 MHz hat.

Fig. 3 zeigt die Art und Weise, in welcher die Gegenphasenfehler­ signale abgenommen werden, zusammen mit den Ausgangsstufen des Lastkreises, der hier als Brückenanordnung nachgezeichnet ist.

In Fig. 3a wird ein Befehlssignal mit einer Amplitude von 3 Volt auf eine Anschlußklemme des Verstärkers 24 übertragen. Es werden außerdem zwei Rückkopplungsverbindungen 20 und 22 von entgegen­ gesetzten Seiten der Last auf den Verstärker 24 übertragen. Das resultierende Fehlersignal, das als ein Wechselsignal mit einer Amplitude von plus oder minus 1 Volt gezeigt ist, steuert einen Amplitudenmodulator 26, der auch die 20 MHz von einem Oszilla­ tor 28 empfängt. Der Ausgang ist ein modulierter Träger, welcher auf jeden von zwei Multiplierkreisen 30 und 32 übertragen wird, die als Trägerschalter arbeiten.

Das Fehlersignal wird auch auf einen Komparator 34 übertragen, welcher die Polarität des Fehlers feststellt und entsprechende in der Phase versetzte Signale auf seinen beiden Ausgangsleitungen 36 und 38 erzeugt. Diese Ausgangsleitungen bilden zweite Eingänge zu den Multipliern oder Trägerschaltern 30 bzw. 32, die demzu­ folge Halbperioden eines in der Amplitude modulierten Trägers erzeugen, wobei ein Multiplierausgang einen positiven Fehler und der andere einen negativen Fehler darstellt und die beiden Aus­ gänge in der Phase versetzt sind.

Diese Fehlersignale steuern nach Verstärkung die Demodulatoren über die 1 pf Kondensatoren.

Das Kristall 40 (Fig. 3b) ist zwischen den Mittelpunkten der zwei Ketten der Ausgangsstufen 42 über Entkopplungswiderstände 44 angeschlossen. Wenn das Kristall 40 in einem Sinne gesteuert werden soll, dann strömt durch die beiden oberen Stufen der links­ seitigen Kette und die unteren Stufen der rechtsseitigen Kette ein verstärkter Strom. Dieser Strom, oder wenigstens ein Teil von ihm, strömt in die Last ein. Die Lage ist umgekehrt, wenn das Kristall in dem anderen Sinne gesteuert werden soll.

Fig. 4 zeigt eine einzige Ausgangsstufe in größeren Einzelhei­ ten. Das modulierte Trägerfehlersignal mit einer Frequenz von 20 MHz und einer Amplitude von Spitze zu Spitze von 14 Volt geht durch den 1 pf Kondensator 10 hindurch zu dem abgestimmten Fil­ terkreis 12 einschließlich des Transformators 46 mit der ange­ zapften Ausgangswicklung, die das induzierte Signal aufgrund der Ausgangsschnellnachführung zurückweist. Die gegenüberliegenden Enden dieser Wicklung erstrecken sich zu den Basen von zwei paral­ lelen Transistoren 48 und 50 in einem Fünftransistoren-Reihen­ schaltkreis (Type SL3145), die so angeordnet sind, daß der Stift 3 des Schaltkreises eine Vollweggleichrichtung des Trägers auf­ weist. Das gleichgerichtete Signal wird durch den Kondensator 52 und den Widerstand 54 geglättet und an dem Stift 6 auf die Basis des ersten Transistors 56 des Rechenverstärkers übertragen, welcher den Differentialverstärker einschließlich des genannten Transistoren 56 und der Transistoren 58 und 60 enthält. Diese Ver­ stärkerform ist derart, daß das Signal bei dem Stift 9 gezwungen wird, gleich dem an dem Stift 6 zu sein und somit ein Strom pro­ portional zu der Amplitude des modulierten Trägers in den Hoch­ spannungstransistor 62 (BU 206) eingesteuert wird, welcher dem Transistor 16 in Fig. 2 entspricht. Der Widerstand 63 ist ein 68 k Verstärkungswiderstand, und der Transistor 66 bildet eine Gegensättigungsgrenze für den Transistor 62.

Fig. 5 zeigt eine Bildreproduktionsvorrichtung einschließlich eines elektronischen Verstärkers der hier beschriebenen Art, so­ wie auch eines Modulatorkristalls.

In Fig. 5 empfängt das Modulatorkristall 40 eine planpolarisierte elektromagnetische Strahlung von einem Laseroszillator 70. Der Block 72 stellt den Hochspannungsmodulatorverstärker dar, welcher bereits in Verbindung mit den Fig. 1 bis 4 beschrieben wurde und das Modulationssignal auf das Kristall 40 überträgt. Die re­ sultierende modulierte planpolarisierte Strahlung erreicht einen Brewster-Platten-Analysator 74, von welchem der reflektierte Strahl durch eine Viertel-Wellenplatte 76 und ein Schmalbandfil­ ter 78 zu einem weiteren Reflektor 80 in Form eines Goldspiegels geht. Die Strahlung geht nun durch einen Lagerverstärker 82 zu einem Teilübertragungsspiegel 84. Das reflektierte Licht von dem Spiegel 84 wird weiter durch einen Goldspiegel 86 über eine Zink­ selenlinse 88 auf einen Tiefdruckzylinder 90 reflektiert, der eine Bildempfangsfläche trägt. Der Zylinder 90 ist auf einer Welle 92 gelagert, welche in einer Drehbewegung angetrieben wird, und die Elemente 86 und 88 sind auf einer Leitspindel 94 zur langsamen axialen Bewegung gelagert, wobei die Kombination der Drehbewegung der Welle 92 und der die langsamen axialen Bewegungen die modulierte elektromagnetische Strahlung zum Abtasten der Bildempfangsfläche in einer Reihe eng beabstandeter Linsen veranlaßt.

Der Rückkopplungsdetektor 96 empfängt durch den Teilübertragungs­ spiegel 84 hindurchgehendes Licht und überträgt ein Rückkopplungs­ signal auf einen Kreis 98, in welchem es mit dem Videosignal zur Übertragung auf den Verstärker 72 kombiniert wird. Der Teil des Laserstrahls, welcher durch den Analysator 74 hindurchgeht, wird durch eine Laserstrahlablaßvorrichtung 100 ("dump") absorbiert.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Last mit Signa­ len hoher Spannung und großer Anstiegsgeschwindigkeit, bei der aus einem Sollwert und dem Spannungsistwert an der Last ein Fehlersignal gebildet wird, mit dem eine hochfrequente Träger­ welle amplitudenmoduliert wird, und bei der die amplitudenmodu­ lierte Trägerwelle demoduliert wird und mit dem demodulierten Signal eine die Hochspannung an die Last anlegende Einrichtung angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere voneinander unabhängige Ausgangsstufen (42) jeweils zwischen der Last (40) und der Hochspannung in Reihe geschaltet sind und daß die Ansteuersignale aus einer gemeinsamen Quelle über jeweils eine Koppelkapazität (10) von sehr kleinem Wert an die Ausgangsstufen geschaltet sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Koppelkapazität einen Wert von weniger als 3 pf hat.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Koppelkapazität einen Wert von etwa 1 pf hat.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Anschluß der Last (40) mittig zwischen den Ausgangsstufen (42) der Seri­ enschaltung angeschlossen ist und die Ausgangsstufen auf jeder Seite des Anschlußpunktes der Last mit gegenphasigen amplitu­ denmodulierten Trägerwellen (A und B) über die Koppelkapazitä­ ten (10) gespeist sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausgangsstufen (42) in Brückenschaltung angeordnet sind und jeweils die gegenphasigen amplitudenmodulierten Trägerwellen den Ausgangsstufen derart zugeführt sind, daß bei einem Anstieg der demodulierten Span­ nung an dem einen Anschluß der Last die Spannung am anderen Anschluß der Last abnimmt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Istwertrückführung die Spannungen an beiden Anschlüssen der Last abgegriffen werden.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch eine Vergleichsstufe (34) zum Erzeugen von gegenphasigen Signalfolgen entsprechend einem positiven Fehlersignal und einem negativen Fehlersignal und durch Multiplizierstufen (33, 32) um aus der mit dem Fehlersi­ gnal amplitudenmodulierten Trägerwelle die gegenphasigen Träger­ wellen zur Ansteuerung der Ausgangsstufen (42) zu erzeugen.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kop­ pelkapazität (10) und jeder Ausgangsstufe (42) ein Filter (12) zum Zurückweisen von infolge der großen Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung induzierter Signale geschaltet ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ausgangsstufe (42) eine Stromquelle (14) in Reihe mit einem Transistor (16) aufweist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerwelle eine Frequenz in der Größenordnung von 20 MHz hat.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Last ein elektrooptischer Kristall ist, der zur Lichtmodulation in einer elektrooptischen Bildreproduktionsanlage vorgesehen ist.