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Title:
SWITCHING ARRANGEMENT COMPRISING AT LEAST TWO SWITCHING POINTS ELECTRICALLY CONNECTED IN SERIES ON THE OUTPUT SIDE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/113337
Kind Code:
A3
Abstract:
The invention relates to a switching arrangement (10) comprising at least two switching points electrically connected in series on the output side (60, 70, 80, 500, 510), the switching arrangement being low-impedence when switched on and high-impedence when switched off. According to the invention, inter alia, the switching points are each connected, on the input side, to an output (A30) of an individual line transformer (30, 40, 50) and can be controlled thereby from the outside.

Inventors:
KANTELBERG GERWIN (DE)
SCHURACK JOHANNES (DE)
Application Number:
DE2008/000469
Publication Date:
May 28, 2009
Filing Date:
March 15, 2008
Export Citation:
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Assignee:
LTB LASERTECHNIK BERLIN GMBH (DE)
SPREE HYBRID & KOMMUNIKATIONST (DE)
KANTELBERG GERWIN (DE)
SCHURACK JOHANNES (DE)
International Classes:
H03K17/10; H03K17/041; H03K17/61
Foreign References:
US3710147A1973-01-09
GB1116354A1968-06-06
DE3630775A11988-03-24
US5763962A1998-06-09
CA1273412A1990-08-28
GB1145974A1969-03-19
Attorney, Agent or Firm:
FISCHER, Uwe (Berlin, DE)
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Claims:

Patentansprüche

1. Schaltanordnung (10) mit zumindest zwei ausgangsseitig e- lektrisch in Reihe geschalteten Schaltstufen (60, 70, 80, 500, 510) , wobei die Schaltanordnung in ihrem eingeschalteten Zustand niederohmig und in ihrem ausgeschalteten Zustand hochohmig ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Schaltstufen eingangsseitig jeweils mit einem Ausgang (A30) eines individuellen Leitungstrafos (30, 40, 50) verbunden und über diesen von außen ansteuerbar sind.

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungstrafos jeweils zwei TEM-Leitungen (160, 170) aufweisen.

3. Schaltanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, - dass im Bereich (185) des Eingangs (E30) des Leitungstrafos ein Teilleiter (175) einer der TEM-Leitungen (160) mit einem Teilleiter (180) der anderen TEM-Leitung (170) verbunden ist und die jeweils beiden anderen Teilleiter (150, 155) Eingangsteilleiter des Leitungstrafos bilden und -dass die beiden Eingangsteilleiter im Bereich (195) des

Ausgangs (A30) des Leitungstrafos verbunden sind und die am Eingang verbundenen Teilleiter (175, 180) am Ausgang (A30) Ausgangsteilleiter des Leitungstrafos bilden.

4. Schaltanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden TEM-Leitungen durch einen Ferritkern (210) hindurchgeführt ist.

5. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungstrafos über eine Verteilereinrichtung (20) mit dem Steuereingang (SlO) der Schaltanordnung in Verbindung stehen, wobei die Leitungstra-

fos an die Verteilereinrichtung wellenwiderstandsmäßig ange- passt sind.

6. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungstrafos eingangssei- tig elektrisch parallel geschaltet sind.

7. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1- 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungstrafos eingangs- seitig elektrisch in Reihe geschaltet sind.

8. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung ausgangssei- tig eine Kette von Widerstandsreihenschaltungen (Rh, Rv) auf- weist, die im ausgeschalteten Zustand der Schaltanordnung eine anliegende Speisespannung (Ua) auf die Schaltstufen verteilt.

9. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schaltstufe derart ausgestaltet ist, dass ein Teil der an der Schaltstufe abfallenden Spannung (Uh) auf einen Steueranschluss (310) der potentialmäßig höher liegenden Schaltstufe als Vorspannung rückgekoppelt wird.

10. Schaltanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung (Uh) derart rückgekoppelt wird, dass die zum Einschalten der Schaltstufe erforderliche Steuerspannung erhöht wird.

11. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schaltstufe zumindest zwei Widerstände (Rh, Rv) zugeordnet sind, nämlich ein Hauptwiderstand (Rv) und ein HilfsWiderstand (Rh) , wobei der Hauptwi- derstandswert größer als der Hilfswiderstandswert ist.

12. Schaltanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem Schaltelement T eine Stützkapazität (Cs) parallel geschaltet ist.

13. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11-12, dadurch gekennzeichnet, dass der HilfsWiderstand derart mit dem Steuereingang (S70) der potentialmäßig höher liegenden Schaltstufe in Verbindung steht, dass der Spannungsabfall (Uh) am Hilfswiderstand auf einen Steueranschluss (310) des Steuereingangs als Vorspannung rückgekoppelt wird.

14. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfswiderstand derart mit dem Steuereingang (S70) der Schaltstufe in Verbindung steht, zum Einschalten der Schaltstufe zumindest eine Steuerspannung (Us) am Steuereingang der Schaltstufe erforderlich ist, die den Spannungsabfall (Uh) am Hilfswiderstand überschreitet .

15. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11-14, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Schaltstufe (500) einer ersten Art gibt, bei der ein An- schluss (315) des Hilfswiderstands (Rh) mit einem Steueranschluss -(310) der potentialmäßig höher liegenden Schaltstufe verbunden ist.

16. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11-15, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Zusammenschaltung von Schaltstufen zu dem Hilfswiderstand eine Hilfskapa- zität (Ch) parallel geschaltet ist.

17. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11-16, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Schaltstufe einer zweiten Art gibt, bei der ein Anschluss (320) eines zusätzlichen Hilfswiderstands (Rh') mit einem

Eingang (355) eines Spannungsinverters (350) verbunden ist, der das Spannungspotential des zusätzlichen Hilfswiderstands

(Rh') invertiert über einen Sekundärhilfswiderstand (Rh") an einen Steueranschluss (310) der Schaltstufe legt.

18. Schaltanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einschalten der Schaltstufe der zweiten Art zumindest eine Steuerspannung am Steuereingang der Schaltstufe erforderlich ist, die den Spannungsabfall am Hilfswiderstand überschreitet .

19. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 17-18, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsinverter durch einen Operationsverstärker (350) gebildet ist.

20. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 17-19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Steuereingang (310) und dem Anschluss (325) eine Hilfskapazität (Ch) elektrisch in Reihe geschaltet ist.

21. Schaltanordnung (10) mit zumindest zwei ausgangsseitig elektrisch in Reihe geschalteten Schaltstufen (500, 510), wobei die Schaltanordnung in ihrem eingeschalteten Zustand nie- derohmig und in ihrem ausgeschalteten Zustand hochohmig ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

zumindest eine Schaltstufe (60, 70, 500) derart ausgestaltet ist, dass ein Teil der an der Schaltstufe abfallenden Spannung (Uh) auf einen Steueranschluss (310) der potentialmäßig höher liegenden Schaltstufe als Vorspannung rückgekoppelt wird.

22. Schaltanordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung derart rückgekoppelt wird, dass sie die zum Einschalten der Schaltstufe erforderliche Schaltspannung erhöht.

23. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 21-22, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der an der Schaltstufe abfallenden Spannung (Uh') mittels eines Span- nungsinverters zurückgekoppelt wird.

24. Schaltanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 21-23, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schaltstufe (500) einer ersten Art und eine Schaltstufe (510) einer zweiten Art vorhanden ist, - wobei bei einer Schaltstufe der ersten Art der Anteil der an der Schaltstufe (500) abfallenden Spannung (Uh) auf einen Steueranschluss (310) der potentialmäßig höher liegenden Schaltstufe als Vorspannung rückgekoppelt wird und - wobei bei einer Schaltstufe (510) der zweiten Art zusätz- lieh die an der Schaltstufe abfallenden Spannung (Uh') auf einen Steueranschluss (310) der Schaltstufe (510) als Vorspannung mittels eines Spannungsinverters invertiert rückgekoppelt wird.

Description:

Beschreibung

Schaltanordnung mit zumindest zwei ausgangsseitig elektrisch in Reihe geschalteten Schaltstufen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanordnung mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In vielen Systemen der Elektronik und Optik werden an Laststrecken, wie z.B. im Entladungskanal eines Lasers, hohe Spannungen an niederohmigen Lasten benötigt, die durch Schalter mit hoher Schaltgeschwindigkeit sehr schnell eingeschaltet werden, eine kurze Zeit zur Verfügung stehen und schnell wiederholt eingeschaltet werden können, wozu oft die Entladung eines Ladeelementes, wie z.B. eines Kondensators, durch einen geeigneten Schalter dient.

Die bekannten Schalter arbeiten mit den verschiedensten akti- ven Bauelementen. Bei mit Wasserstoff bzw. Deuterium gefüllten Thyratronen werden kurze Schaltzeiten bei hohen Spannun ¬ gen und Strömen erreicht. Problematisch sind der große Jit- ter, die großen mechanischen Abmessungen, eine notwendige ständige Heizung und die endliche Lebensdauer.

Einstufige Hableiterschalter wie beispielsweise „Drift Step Recovery Diodes", wie sie in der Druckschrift "Power Nanose- cond Semiconductor Opening Plasma Switches", 1996 IEEE, Seite 51 ff., beschrieben werden, erreichen nicht allzu hohe Span- nungen und benötigen vor allem eine induktive Energiespeiche- rung, womit viele Anwendungen unmöglich sind.

Bei den meisten Halbleiterbauelementen werden genügend hohe Spannungen im Bereich einiger kV nur schaltbar durch eine Reihenschaltung vieler Schaltelemente (US-Patent 4,425,518); diese müssen möglichst gleichzeitig angesteuert werden.

Eine Schaltanordnung der eingangs angegebenen Art ist aus der Patentschrift DD 234 974 bekannt. Diese Schaltanordnung ist mit zumindest zwei ausgangsseitig elektrisch in Reihe geschalteten Schaltstufen ausgestattet, wobei die Schaltanord- nung in ihrem eingeschalteten Zustand niederohmig und in ihrem ausgeschalteten Zustand hochohmig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltanordnung anzugeben, mit der sich große Spannungen mit hoher Ge- schwindigkeit schalten lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltanordnung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schaltstufen eingangsseitig jeweils mit einem Ausgang eines individuellen Leitungstrafos - unmittelbar oder mittelbar - verbunden und über diesen von außen ansteuerbar sind.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der sehr schnellen Schaltzeit der Schaltanordnung. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Leitungstrafos weisen aufgrund ihres Aufbaus nämlich eine sehr hohe Grenzfrequenz auf, so dass die Schalt- geschwindigkeit der Schaltanordnung quasi nicht durch Trafoeinflüsse begrenzt wird. Die hohe Grenzfrequenz wird bei Leitungstrafos im Unterschied zu Standardtransformatoren durch eine andere Art der elektromagnetischen Kopplung erreicht: Während bei Standardtransformatoren eine magnetische Kopplung durch hochfrequenzmäßig eher wenig geeignetes Ferritmaterial erfolgt, beruht die elektromagnetische Kopplung bei einem Leitungstrafo auf einer Wellenkopplung im Koppelbereich von Leitungen.

Für Leitungstrafos geeignete Leitungen sind beispielsweise TEM-Leitungen, so dass es als vorteilhaft angesehen wird, wenn die Leitungstrafos jeweils zwei TEM-Leitungen aufweisen.

Unter dem Begriff TEM-Leitungen sind Leitungen zu verstehen, die transversal elektromagnetische Wellen führen können, also beispielsweise Koaxialleitungen oder Mikrostripleitungen.

Am Eingang eines jeden Leitungstrafos oder zumindest im Bereich des Eingangs ist bevorzugt ein Teilleiter einer der TEM-Leitungen mit einem Teilleiter der anderen TEM-Leitung verbunden, und die jeweils beiden anderen Teilleiter bilden Eingangsteilleiter des Leitungstrafos. Die beiden Ein- gangsteilleiter sind vorzugsweise am Ausgang des Leitungstrafos bzw. im Bereich des Ausgangs verbunden, so dass die am Eingang verbundenen Teilleiter am Ausgang des Leitungstrafos Ausgangsteilleiter bilden. Die beiden TEM-Leitungen weisen • vorzugsweise identische Wellenwiderstände auf.

Wie bereits erwähnt, sind reine Leitungsanordnungen bei Leitungstrafos für die potentialfreie Kopplung sehr hochfrequenter Signale geeignet; nachteilig ist jedoch, dass niederfrequente Signale ohne weiteres nicht bzw. nicht sehr gut über- tragen werden. Um auch bei kleinen übertragungsfrequenzen ein gutes übertragungsverhalten zu erreichen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn zumindest eine der beiden TEM- Leitungen durch einen Ferritkern hindurchgeführt ist, wodurch eine gute Weiterleitung auch der niederfrequenten Anteile der Schalt- bzw. Steuerpulse an den Steuereingang der nachgeschalteten Schaltstufe ermöglicht wird.

Um Reflexionen am Steuereingang der Schaltanordnung zu vermeiden, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Leitungs- trafos über eine Verteilereinrichtung mit dem Steuereingang der Schaltanordnung in Verbindung stehen, wobei die Leitungstrafos an die Verteilereinrichtung und die Verteilereinrichtung an den Steuereingang wellenwiderstandsmäßig angepasst sind.

Um eine gleichmäßige bzw. reproduzierbare Spannungsverteilung auf die einzelnen Schaltstufen der Schaltanordnung nach einem

Ausschalten der Schaltanordnung zu erreichen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Schaltanordnung ausgangssei- tig eine Widerstandsreihenschaltung aufweist, die im ausgeschalteten Zustand der Schaltanordnung eine ausgangsseitig 5 anliegende Speisespannung auf die einzelnen Schaltstufen vorzugsweise gleichmäßig verteilt.

Bevorzugt ist zumindest eine Schaltstufe, besonders bevorzugt jede Schaltstufe, derart ausgestaltet, dass ein Teil der an

1.0 der Schaltstufe abfallenden Spannung auf einen Steueran- schluss der potentialmäßig höher liegenden, anschließenden Schaltstufe als Vorspannung rückgekoppelt wird. Vorzugsweise wird die Vorspannung derart rückgekoppelt, dass sie die zum Einschalten der Schaltstufe erforderliche Schaltspannung er-

15 höht. Durch eine solche Maßnahme wird die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass am Steueranschluss einer Schaltstufe eingekoppelte Störungen zu einem unerwünschten und unkoordinierten Einschalten der Schaltstufe führen können; ein unkoordinier- tes Einschalten einer oder mehrerer Schaltstufen der Schalt-

20 anordnung kann nämlich zu einer Zerstörung der gesamten

Schaltanordnung führen, weil im Falle eines Einschaltens einzelner, nicht jedoch aller Schaltstufen die noch ausgeschalteten Schaltstufen den gesamten am Eingang der Schaltanordnung anliegenden Spannungshub der Speisespannung allein ver-

25 kraften müssen, was unter Umständen zu einer überlastung und einer Zerstörung der ausgeschalteten Schaltstufen führen kann.

Bevorzugt sind jeder Schaltstufe zumindest zwei Widerstände 30 zugeordnet, nämlich ein Hauptwiderstand und ein Hilfswider- stand, wobei der Hauptwiderstandswert größer als der Hilfswi- derstandswert ist. Der Hauptwiderstand dient beispielsweise dazu, im ausgeschalteten Zustand der Schaltanordnung den Hauptspannungsabfall der jeweiligen Schaltstufe aufzunehmen; 35 der Hilfswiderstand kann dann davon unabhängig zu Ansteue- rungszwecken herangezogen werden.

Zu dem Schaltelement T wird beispielsweise eine Stützkapazität parallel geschaltet, um bei einem Ein- oder Ausschalten der Schaltanordnung eine gleichmäßige dynamische Spannungsverteilung auf die einzelnen Schaltstufen zu gewährleisten.

Der Hilfswiderstand kann beispielsweise derart mit dem Steuereingang der potentialmäßig höher liegenden, anschließenden Schaltstufe in Verbindung stehen, dass die zum Einschalten der Schaltstufe am Steuereingang erforderliche Steuerspannung zumindest den Spannungsabfall am Hilfswiderstand überschreiten muss.

Vorzugsweise gibt es mindestens eine Schaltstufe einer ersten Art, bei der ein Anschluss des HilfsWiderstands der nachfol- genden, potentialmäßig tiefer liegenden Schaltstufe mit einem Steueranschluss des Steuereingangs der Schaltstufe verbunden ist. Bei dieser Ausgestaltung wird der Spannungsabfall am Hilfswiderstand unmittelbar als Vorspannung verwendet.

Um zu vermeiden, dass der Hilfswiderstand am Steuereingang der Schaltstufe als ohmsche Last in Reihenschaltung zur Ansteuerspannung wirksam ist, wird eine Hilfskapazität verwendet, welche bei der Verschaltung zweier Stufen parallel zu dem Hilfswiderstand liegt, für hohe übertragungsfrequenzen einen Kurzschluss darstellt und die ohmsche Last des Hilfswi- derstandes - vom Steuereingang gesehen - also kurzschließt. Die Funktion einer solchen Hilfskapazität besteht somit darin, einen Steuerpuls am Steuereingang der Schaltstufe zu dem Schaltelement der Schaltstufe möglichst vollkommen durchzu- schalten.

Alternativ oder zusätzlich dazu kann es auch eine oder mehrere Schaltstufen einer zweiten Art geben, bei der ein Anschluss eines zusätzlichen HilfsWiderstandes mit einem Ein- gang eines Spannungsinverters verbunden ist, der den Spannungsabfall am Hilfswiderstand über einen Sekundärhilfswiderstand invertiert an einen Steueranschluss des Steuereingangs

der Schaltstufe legt. Eine Schaltstufe einer solchen zweiten Art wird bevorzugt als potentialmäßig „unterste" Schaltstufe eingesetzt, die mit einem ihrer beiden Schaltanschlüsse auf Massepotential liegt; in diesem Falle wird mit Hilfe des Spannungsinverters das Spannungspotential an dem Steueran- schluss auf ein Potential unterhalb des Massepotentials heruntergezogen; die Potentialdifferenz zwischen dem Steueran- schluss und dem Massepotential ist in diesem Falle betragsmäßig so groß wie der Spannungsabfall am Hilfswiderstand.

Der Spannungsinverter kann beispielsweise durch einen Operationsverstärker gebildet sein.

Um zu vermeiden, dass der Sekundärhilfswiderstand am Steuer- eingang der Schaltstufe als ohmsche Last wirksam ist, ist vom Sekundärhilfswiderstand vorzugsweise eine Hilfskapazität zum Fußpunkt der Schaltanordnung geschaltet, die für hohe übertragungsfrequenzen am Steuereingang einen Kurzschluss darstellt und die ohmsche Last des Sekundärhilfswiderstands also hochfrequenzmäßig kurzschließt.

Als selbständige Erfindung wird außerdem eine Schaltanordnung angesehen mit zumindest zwei ausgangsseitig elektrisch in Reihe geschalteten Schaltstufen, wobei die Schaltanordnung in ihrem eingeschalteten Zustand niederohmig und in ihrem ausgeschalteten Zustand hochohmig ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest eine Schaltstufe derart ausgestaltet ist, dass ein Teil der an der Schaltstufe abfallenden Spannung auf einen Steueranschluss eines Steuereingangs der anderen Schaltstufe als Vorspannung rückgekoppelt wird.

Durch eine solche Ausgestaltung der Schaltanordnung lässt sich sehr einfach eine besonders hohe Störsicherheit erreichen, weil die mindestens eine Schaltstufe nur dann durchge- schaltet bzw. eingeschaltet wird, wenn eine Steuerspannung anliegt, die mindestens so groß ist wie die rückgekoppelte

Vorspannung plus die übliche Einschaltspannung der Schaltstufe ohne Rückkopplung.

Vorzugsweise weist die Schaltanordnung zumindest eine Schalt- stufe einer ersten Art und mindestens eine Schaltstufe einer zweiten Art auf, wobei bei einer Schaltstufe der ersten Art ein Teil der an der Schaltstufe zweiter Art abfallenden Spannung auf einen Steueranschluss der Schaltstufe erster Art als Vorspannung rückgekoppelt wird und wobei bei einer Schaltstu- fe der zweiten Art ein Teil der an der Schaltstufe abfallenden Spannung auf einen Steueranschluss der Schaltstufe als Vorspannung mittels eines Spannungsinverters invertiert rückgekoppelt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schaltanordnung als Blockschaltbild, wobei die Schaltanordnung beispielhaft drei Stufen aufweist,

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel für ein Verteilernetzwerk für die Schaltanordnung gemäß Figur 1,

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für einen Leitungstrafo für die Schaltanordnung gemäß Figur 1,

Figur 4 ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltstufe für die Schaltanordnung gemäß Figur 1,

Figur 5 ein Ausführungsbeispiel für eine modifizierte

Schaltstufe für die Schaltanordnung gemäß Figur

1,

Figur 6 das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 als e- lektrisches Schaltbild zusammen mit weiteren elektrischen Komponenten im Einsatzfall und

Figur 7 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schaltanordnung als Blockschaltbild.

In den Figuren 1 bis 7 werden für identische oder vergleich- bare Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.

In der Figur 1 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung 10 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der übersicht halber nur drei Schaltstufen (n=3) vorhanden; selbstverständlich ist die Anzahl n der Schaltstufen prinzipiell beliebig und wird vorzugsweise umso größer gewählt, je größer die einzuschaltende Spannung Ua - nachfolgend Schaltspannung genannt - ist, die an der Schaltanordnung anliegt.

An einen Steuereingang SlO der Schaltanordnung 10 ist ein An- schluss E20 einer Verteilereinrichtung bzw. eines Verteilernetzwerks 20 angeschlossen. Das Verteilernetzwerk 20 weist drei Ausgänge A20a, A20b und A20c auf, die jeweils mit einem Eingang E30, E40 bzw. E50 eines Leitungstrafos 30, 40 bzw. 50 verbunden sind.

Ausgänge A30, A40 und A50 der Leitungstrafos sind jeweils an einen Steuereingang S60, S70 bzw. S80 einer nachgeordneten Schaltstufe 60, 70 oder 80 angeschlossen.

Die Schaltstufen weisen jeweils zwei Schaltanschlüsse auf und sind ausgangseitig elektrisch in Reihe geschaltet. Dies bedeutet, das einer der Schaltanschlüsse einer jeden „innenlie- genden" Schaltstufe mit einem Schaltanschluss der jeweils ü- bergeordneten Schaltstufe und der andere der zwei Schaltanschlüsse einer jeden „innenliegenden" Schaltstufe mit einem

Schaltanschluss der jeweils untergeordneten Schaltstufe verbunden ist. So ist beispielsweise der obere Schaltanschluss A70a der mittleren Schaltstufe 70 an den Schaltanschluss AβOb der obersten Schaltstufe 60 und der untere Schaltanschluss A70b der mittleren Schaltstufe 70 an den oberen Schaltanschluss A80a der untersten Schaltstufe 80 angeschlossen.

Der Schaltanschluss A60a der obersten Schaltstufe 60 und der Schaltanschluss A80b der untersten Schaltstufe 80 bilden Schaltanschlüsse AlOa und AlOb der Schaltanordnung 10. Der

Schaltanschluss AlOb der Schaltanordnung kann beispielsweise im Betrieb auf Massepotential liegen.

Die kaskadiert hintereinander geschalteten Schaltstufen 60, 70 und 80 ermöglichen es, auch eine sehr hohe Spannung Ua zwischen den beiden Schaltanschlüssen AlOa und AlOb zu schalten; denn jede der Schaltstufen muss nicht die gesamte Spannung Ua schalten, sondern nur einen Teil davon. Im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels mit n=3 Schaltstufen reicht es somit aus, wenn jede der Schaltstufen - von Sicherheitstoleranzen abgesehen - nur ein l/n (hier 1/3) der Speisespannung Ua - also Ua/n (hier Ua/3) - schalten kann. Im ausgeschalteten Zustand der Schaltanordnung fällt somit an jeder Schaltstufe eine Spannung von circa Ua/n ab.

Den Schaltstufen vorgeschaltet sind die Leitungstrafos 30, 40, und 50, die eine galvanische Potentialtrennung zwischen dem Steuereingang SlO der Schaltanordnung 10 und den einzelnen Schaltstufen gewährleisten. Eine vorteilhafte Eigenschaft der Leitungstrafos 30, 40 und 50 besteht darin, dass diese eine Steuerspannung bzw. einen Steuerpuls Us auch im Falle einer sehr schnellen Anstiegs- oder Abfallflanke an die Schaltstufen unverfälscht weiterleiten können, da sie bauartbedingt aufgrund ihrer wellenführenden Eigenschaft eine sehr hohe Grenzfrequenz aufweisen.

Die Funktion des Verteilernetzwerks 20 besteht - wie der Name bereits andeutet - darin, die Steuerspannung Us am Steuereingang SlO an die Leitungstrafos 30, 40 und 50 zu verteilen. Um dabei Reflexionen zu vermeiden, ist das Verteilernetzwerk 20 an den Steuereingang SlO wellenwiderstandsmäßig angepasst:

Soll am Steuereingang SlO beispielsweise ein Wellenwiderstand ZO auftreten, so muss dass Verteilernetzwerk 20 an seinen n=3 Ausgängen A20a, A20b und A20c jeweils einen Wellenwiderstand n*Z0 = 3 * ZO aufweisen. An diesen Wellenwiderstand von n*Z0 = 3*Z0 müssen dann die Leitungstrafos ebenfalls entsprechend angepasst sein; dies wird im Zusammenhang mit der Figur 3 näher erläutert.

In der Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel für das Verteiler- netzwerk 20 dargestellt. Man erkennt drei Hilfswellenleiter 100, 105 und 110, bei denen es sich beispielsweise um Koaxialleitungen oder Streifenleitungen handeln kann. Jeweils ein Anschluss eines jeden Hilfswellenleiters steht mit dem Eingang E20 des Verteilernetzwerks und damit mit dem Steuerein- gang SlO der Schaltanordnung 10 in Verbindung. Die Hilfswellenleiter sind eingangsseitig also elektrisch parallel geschaltet. Ausgangsseitig bildet jeder der Hilfswellenleiter jeweils einen Anschluss A20a, A20b bzw. A20c des Verteilernetzwerks 20. Im Hinblick auf eine Wellenwiderstandsanpassung weisen die Hilfswellenleiter jeweils einen Wellenwiderstand von n*Z0 = 3*Z0 auf, so das Reflexionen vermieden werden.

Die Leitungstrafos 30, 40 und/oder 50 gemäß der Figur 1 können beispielsweise baugleich sein; nachfolgend wird beispiel- haft anhand der Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für den Leitungstrafo 30 erläutert:

Der Leitungstrafo 30 weist an seinem Eingang E30 zwei Eingangsteilleiter 150 und 155 auf, von denen der Eingangsteil- leiter 150 zu einer TEM-Leitung 160 und der andere Eingangsteilleiter 155 zu einer zweiten TEM-Leitung 170 gehört;

die beiden TEM-Leitungen 160 und 170 können baugleich oder unterschiedlich sein; die Länge beträgt jeweils L.

Die beiden TEM-Leitungen 160 und 170 können beispielsweise durch Koaxialleiter oder Streifenleitungen gebildet sein. Um Reflexionen zu vermeiden und eine Anpassung an das Verteilernetzwerk 20 zu erreichen, weisen die beiden TEM-Leitungen 160 und 170 jeweils einen Wellenwiderstand von (n*Z0)/2 = (3*Z0)/2 auf.

Die beiden anderen Teilleiter 175 und 180, von denen der Teilleiter 175 zu der TEM-Leitung 160 und der andere Teilleiter 180 zur TEM-Leitung 170 gehört, sind im Bereich 185 des Eingangs E30 durch eine Leitung 190 verbunden und somit von außen am Eingang E30 elektrisch nicht zugänglich.

Im Bereich 195 des Ausgangs A30 des Leitungstrafos 30 sind die beiden Eingangsteilleiter 150 und 155 durch eine Leitung 200 verbunden und daher dort von außen nicht zugänglich; die Ausgangsteilleiter des Leitungstrafos 30 werden somit durch die beiden anderen Teilleiter 175 und 180 gebildet.

Der Leitungstrafo 30 weist ein übersetzungsverhältnis von 1:1 auf, wobei die Kopplung für hohe Frequenzen auf der Wellen- ausbreitung und der Wellenkopplung in den beiden TEM- Leitungen 160 und 170 sowie auf der Verschaltung der Teilleitungen 150, 155, 175, 180 beruht. Für niedrige Frequenzen beruht die Kopplung auf einem Ferritring 210, durch den die TEM-Leitung 160 hindurchgeführt ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 3 weisen die beiden Ausgangsteilleiter 175 und 180 einen überkreuzungsbereich 215 auf, um eine polaritätsidentische Umsetzung der Trafoeingangsspannung Ute in die Trafoausgangsspannung Uta zu errei- chen: Es gilt hier also:

Ute = Uta.

Falls eine Invertierung der Trafoausgangsspannung Uta gewünscht ist und

Ute = -Uta

gelten soll, so kann der überkreuzungsbereich 215 weggelassen werden.

In der Figur 4 erkennt man ein Ausführungsbeispiel für die beiden Schaltstufen 60 und 70; nachfolgend wird der Aufbau beispielhaft anhand der Schaltstufe 70 erläutert.

Die Schaltstufe 70 weist zwei in Reihe geschaltete Widerstän- de auf, nämlich einen Hauptwiderstand Rv und einen Hilfswi- derstand Rh. Die beiden Widerstände sind zwischen die zwei Schaltanschlüsse A70a und A70b der Schaltstufe 70 geschaltet.

Die Widerstände Rv und Rh sind unterschiedlich dimensioniert. Es gilt:

Rv » Rh,

so dass im ausgeschalteten Zustand der Schaltstufe 70 der Spannungsabfall Ua/n = Ua/3 im Wesentlichen am Widerstand Rv abfällt. Es gilt also:

Ua/n = Uv + Uh Uv » Uh

Die Spannung Uv kann beispielsweise im Bereich einiger hundert bis einiger tausend Volt liegen; die Spannung Uh beträgt hingegen vorzugsweise nur einige wenige Volt, im ausgeschalteten Zustand der Schaltanordnung 10 beispielsweise 5 V.

Zu dem Schaltelement T parallel liegt eine Stützkapazität Cs, die im Falle eines Ein- bzw. Ausschaltens der Schaltanordnung

10 zusammen mit entsprechenden Stützkapazitäten Cs in den anderen Schaltstufen für eine gleichmäßige dynamische Spannungsverteilung der Spannung Ua auf die einzelnen Schaltstufen sorgt, so dass an jeder der Schaltstufe nach Abschluss des Ein- bzw. Ausschaltvorganges die Spannung Ua/n anliegt.

Die Schaltstufe 70 ist außerdem mit einem Schaltelement T ausgestattet, bei dem es sich beispielsweise um einen Hochleistungstransistor - zum Beispiel einen Bipolar-Transistor, einen Feldeffekttransistor -oder einen Thyristor- handeln kann; die nachfolgenden Erläuterungen gehen beispielhaft von einem Silizium-Bipolartransistor aus, sie gelten aber für alle andere Arten von Schaltelementen analog. Die beiden Ausgangsschaltanschlüsse sind in der Figur 4 mit den Bezugszei- chen K (für Kollektor) und E (für Emitter) bezeichnet. Der eine Ausgangsgangsschaltanschluss K ist an den Schaltan- schluss E70a der Schaltstufe 70 angeschlossen; der andere Ausgangsgangsschaltanschluss E ist mit dem Schaltanschluss A70b der Stufe 70 verbunden. Der Anschluss 305 des Hilfswiderstandes Rh ist mit dem

Schaltanschluss A70a verbunden und der andere Anschluss 315 des HilfsWiderstandes Rh führt von der Verbindungsstelle V zwischen Haupt- und Hilfswiderstand zum Steuerausgang A70c der Schaltstufe 70. An den Steueranschluss 310 ist der Ein- gangsanschluss A70d angeschlossen und die Hilfskapazität Ch liegt zwischen dem Steueranschluss 310 und dem Schaltanschluss A70b.

Die Schaltstufe 70 sowie die Schaltanordnung 10 gemäß der Figur 1 funktionieren wie folgt:

Soll die Schaltanordnung 10 eingeschaltet werden, so werden durch ein Anlegen einer ausreichend großen Steuerspannung Us jeweils alle Schaltstufen eingeschaltet, so dass die Schaltspannung Ua einen sehr kleinen und der Strom durch die Schaltelemente T einen großen Wert annimmt. Damit geht auch

die Spannung über der Widerstandskette gegen Null und sowohl die Kondensatoren Cs als auch Ch werden entladen. Durch das Anlegen einer Steuerspannung Us von beispielsweise Null Volt werden alle Schaltelemente T ausgeschaltet. Die dabei anstei- gende Spannung Ua, multipliziert mit l/n wird durch die gleich großen Widerstände Rv gleichmäßig auf die Stufen verteilt. Der HilfsWiderstand Rh der potentialmäßig tiefer liegenden Schaltstufe 80 ruft den Spannungsabfall Uh und damit eine entsprechende Vorspannung am Steueranschluss 310 des Steuereingangs S70 hervor. Diese Vorspannung hat zur Folge, dass die Hilfskapazität Ch entsprechend aufgeladen wird und dass die für ein Einschalten des Schaltelements T erforderliche Einschaltsteuerspannung erhöht wird. Anstelle der sonst üblichen Basis-Emitter-Spannung von übe = 0,7 V (für einen Silizium-Transistor) wird durch die Vorspannung für ein Einschalten der Schaltstufe eine Steuerspannung Us nötig von mindestens :

Us = übe + Uh.

Durch eine entsprechende Dimensionierung des Hilfswiderstands Rh lässt sich somit ein unerwünschtes Einschalten des Schaltelements T aufgrund von Störungen, die am Steuereingang S70 womöglich eingekoppelt werden könnten, vermejden. Beispiels- weise kann der HilfsWiderstand Rh so bemessen sein, dass an diesem während des Betriebs der Schaltanordnung 10 in deren ausgeschaltetem Zustand zumindest eine Spannung von Uh = 5 V abfällt, so dass zum Einschalten des Schaltelements T eine Steuerspannung Us von mindestens 5,7 V erforderlich ist.

Die Funktion des Hilfswiderstands Rh besteht also darin, für den Steuereingang S70 eine Vorspannung Uh zu erzeugen, die ein fehlerhaftes Einschalten der Schaltstufe 70 aufgrund von Störungen verhindert. Um zu vermeiden, dass der Hilfswider- Stands Rh für Steuerpulse Us am Steuereingang S70 eine störende ohmsche Last darstellt, ist nach der Zusammenschaltung der Stufen zu dem Hilfswiderstands Rh die Hilfskapazität Ch

parallel geschaltet. Diese stellt für die Steuerspannung bei hohen Frequenzen einen Kurzschluss dar, so dass der Hilfswi- derstand Rh für hohe Frequenzen und schnelle Schaltflanken inaktiv bzw. „unsichtbar" ist.

Die entsprechende Vorspannung Uh lässt sich in der beschriebenen Weise nur bei den Schaltstufen 60 und 70 gemäß der Figur 1 bilden, bei der in der Figur 1 untersten Schaltstufe 80 ist hingegen eine modifizierte Vorspannungsbildung nötig. Dies liegt konkret daran, dass keine potentialmäßig tiefer liegende Stufe vorhanden ist.

Um auch in diesem Falle eine rückgekoppelte Vorspannung zu erhalten, die der Vorspannung Uh der beiden übrigen Schaltstufen 60 und 70 entspricht, ist die Schaltstufe 80 etwas an- ders aufgebaut. Der Aufbau der Schaltstufe 80 ist in der Figur 5 gezeigt:

Man erkennt in der Figur 5, dass an der Verbindungsstelle V des zusätzlichen Hilfswiderstands Rh' ein Spannungsinverter 350 in Form eines Operationsverstärkers angeschlossen ist, und zwar mit seinem invertierenden Eingang 355. Der nichtin- vertierende Eingang 360 ist mit dem anderen Anschluss 325 des HilfsWiderstandes Rh' und mit dem Schaltanschluss A80b verbunden und liegt damit beispielsweise auf Massepotential. Am Ausgang ist ein Sekundärhilfswiderstand Rh" angeschlossen, dessen Widerstandswert mit dem des Hilfswiderstands Rh' identisch ist. Der andere Anschluss des Sekundärwiderstands ist an den Steueranschluss 310 des Steuereingangs S80 angeschlossen.

Die Aufgabe des Spannungsinverters 350 besteht darin, den Spannungsabfall Uh am Hilfswiderstand Rh' als „negatives" Potential an den Steueranschluss 310 des Steuereingangs S80 zu übertragen, so dass zum Einschalten der Schaltstufe 80 ebenso wie bei den anderen Schaltstufen eine Steuerspannung

Us = übe + Uh

erforderlich ist. Der Spannungsinverter bewirkt also eine Potentialverschiebung auf ein Potential unterhalb des Potentials am Anschluss A80b, also beispielsweise auf ein Potential unterhalb des Massepotentials, wenn der Anschluss A80b auf Masse liegt. Die Kapazität wirkt wie bei der Schaltstufe 70.

Die Figur 6 zeigt die Schaltanordnung gemäß Figur 1 nochmals anhand eines beispielhaften elektrischen Schaltbilds im Ein- satz. Man erkennt einen Ladewiderstand R, der mit einer regelbaren Hochspannungsquelle Ub sowie der Schaltanordnung 10, einer Ladekapazität Cl und einem Lastwiderstand Rl verbunden ist.

Die Anordnung lässt sich wie folgt betreiben:

über die Hochspannungsquelle Ub und den Vorwiderstand R wird die Ladekapazität Cl geladen. Die sich über der Schaltanordnung 10 aufbauende Spannung Ua, welche der Spannung an der Ladekapazität Cl entspricht, wird durch die aus den Widerständen Rh und Rv bestehende Widerstandskette auf die einzelnen Schaltstufen verteilt. über die Hilfswiderstände Rh werden die Kondensatoren Ch aufgeladen, wodurch sich mit zunehmender Spannung über den Einzelstufen auch die Sperrspannun- gen in den Eingangskreisen erhöhen, womit eine erhebliche Störsicherheit erreicht wird.

Durch die Leitungsverzweigung 20 und die Leitungstrafos werden positive Zündimpulse mit sehr kurzer Anstiegszeit für die Schaltstufen bereitgestellt. Die Stützkondensatoren Cs sichern im Einschaltzeitpunkt auch die gleichmäßige dynamische Spannungsverteilung über den Schaltstufen, womit eine überkopfZündung vermieden wird.

Mit dem Einschalten der Gesamtkette entlädt sich die Ladekapazität Cl über der Schaltergruppe und liefert an dem Lastwiderstand Rl den gewünschten Impuls. Nach der Entladung von Cl

kann sich der Zyklus wiederholen. Zur Erzielung einer hohen Folgefrequenz sollten die folgenden Beziehungen eingehalten werden:

ZO * Ch » Tein

und

Rh * Ch < 1/fmax

wobei Tein die notwendige Einschaltdauer der Schaltelemente T und fmax die gewünschte maximale Pulsfrequenz am Steuereingang SlO bezeichnen.

In der Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Schaltanordnung 10 gezeigt. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 1 weist diese sechs Schaltstufen (n=6) auf, nämlich fünf Schaltstufen 500 einer ersten Art und eine Schaltstufe 510 einer zweiten Art. Die Schaltstufen der ersten Art können beispielsweise der Schaltstufe 70 gemäß der Figur 4 und die Schaltstufe 510 der Schaltstufe 80 gemäß der Figur 5 entsprechen.

Die Leitungstrafos 520 weisen jeweils zwei interne TEM- Leitungen mit den Wellenwiderständen (n*Z0)/2 auf und entsprechen vom übrigen Aufbau her beispielsweise dem Leitungstrafo 30 gemäß der Figur 3.

Für die Schaltanordnung gemäß der Figur 7 gelten die obigen Erläuterungen entsprechend; sie lässt sich also wie die Schaltanordnung gemäß den Figuren 1-6 betreiben.

Bezugszeichenliste

10 Schaltanordnung

AlOa, AlOb Schaltanschluss der Schaltanordnung

SlO Steuereingang der Schaltanordnung

20 Verteilernetzwerk

E20 Anschluss des Verteilernetzwerks

A20a,A20b,A20c Ausgang des Verteilernetzwerks

30,40,50 Leitungstrafo

E30,E40,E50 Eingang des Leitungstrafo

A30,A40,A50 Ausgang des Leitungstrafo

60,70,80 Schaltstufe

S60,S70,S80 Steuereingang der Schaltstufe

A60a,A60b Schaltanschluss der Schaltstufe

A70a,A70b Schaltanschluss der Schaltstufe

A80a,A80b Schaltanschluss der Schaltstufe

100,105,110 HilfsWellenleiter

150, 155 Eingangsteilleiter

160 TEM-Leitung

170 TEM-Leitung

175, 180 andere Teilleiter

185 Bereich des Eingangs

190 Kurzschlussleitung

195 Bereich des Ausgangs

200 KurzSchlussIeitung

210 Ferritring

215 überkreuzungsbereich

305 Anschluss des Hilfswiderstands

310 Steueranschluss des Steuereinganges

315 anderer Anschluss des Hilfswiderstan- des

320 Anschluss des zusätzlichen Hilfswider- standes 325 anderer Anschluss des zusätzlichen

HilfsWiderstandes

350 Spannungsinverter 355 Invertierender Eingang

360 nichtinvertierender Eingang

500 Schaltstufe erster Art

510 Schaltstufe zweiter Art

520 Leitungstrafo

Ch Hilfskapazität

Cl Ladekapazität

Cs Stützkapazität

B Basis E Emitter

K Kollektor

Rl Lastwiderstand

R Ladewiderstand

Rv Hauptwiderstand Rh Hilfswiderstand

T Schaltelement

Us Steuerspannung bzw. Steuerpuls

Ua ein- und auszuschaltende Spannung

Ute Spannung Uta Spannung

übe Basis-Emitter-Spannung

Uh Spannung an Hilfswiderstand / Vorspannung

Ub regelbare Spannungsquelle V Verbindungsstelle

ZO Wellenwiderstand