dr. ing. J.Bretting AEG-Telefunken-Ulm
i
InEuropawordtgewerktaaneenreekscommunicatie-satellietsystemen,zowelin eennationaalalsineeninternationaalverband.Dezesystemenbevindenzichdeels inhetproduktiestadium,deelsinhetbeproevingsstadiumenookdeelspasineen gevorderdplanningsstadium.Bijaldezeprojecteniseenzendversterkernodigom informatiesnaardeaardetekunnenzenden.Albijdeeerste communicatie-satel-lieten is gebleken, dat vanalle beschikbare versterkerslopende-golfbuizen met vermogensvan5 tot500wattenfrequentiesvan3tot12GHz,hetbestvoldoen aandezeerstrengeeisen.Dezebuizenvormendaaromeenechtesleutelbouwsteen, omdat hierdoorin belangrijkematedebetrouwbaarheidvandesatelliet, hetge
wicht enhetvolume ervan,maarook dekwaliteitvandeinformatie-overdracht wordtbepaald.Ditbetekent,datvoortdurendaandeverbeteringvandestandder techniekvandezebuizenmoetwordengewerkt,omvooriederstelseleenoptimaal typeterbeschikkingtehebben.Daardoorheeftdeontwikkelingvan microgolfbui-zenineenperiode,dieinbelangrijkematewordtbepaalddoorgrotevooruitgang indeontwikkelingvanhalfgeleiderbouwstenen,tocheenbijzonderebetekenisge
kregen.
Afb. 1.Lopendegolfbuisvoorhet ,,Sympho-nie"-project.metopenengeslotenbehuizing.
Duidelijkzijnhetelektronenkanonendeop
vangplaatindoorsnedezichtbaar.
volgevandebreedtevanhet snelheids-spectrum hebben de meeste andere elektronendanechternogeenaanzien
lijke snelheid, zodat ondanks het afremmennogeennietteverwaarlozen hoeveelheid warmteontstaat. Worden echtermeerdereopvangplatenmetver
schillende spanningswaarden gebruikt enworden de elektronenzogestuurd, dat de snelste elektronen een sterker statischremveldmoetendoorlopendan de langzamere, dan kan daardoor de ontstane hoeveelheid warmte worden verminderd.
elektronenstraal nagenoeg gelijk zijn, treedt eenwisselwerking op tussen de elektronenstraal en de hoogfrequente golf. Daarbij wordt bewegingsenergie vande elektronenomgezetinhoogfre
quent vermogen. Alsgevolg vandeze wisselwerkingontstaatin destraal een snelheidsspectrum,datwilzeggensom
mige elektronen zullen worden ver
sneld en anderewordenvertraagd. De gemiddeldewaardevanditspectrumis aan de uitgang kleinerdan aande in
gang. Dezeafnamevandegemiddelde snelheid zorgt ervoor, dat bij toene
mend hoogfrequent ingangsvermogen het uitgangsvermogen niet evenredig toeneemt, maar langzamer stijgt en tenslotte een verzadigde waarde be
reikt. Tengevolgevanditverzadigings
effect kan slechts een deel van het straalvermogen worden omgezet in hoogfrequentvermogen. Hetresteren
dedeelwordtbijhettreffenmetdeop
vangplaatomgezetinwarmte.Deont
stane hoeveelheidwarmtekanworden verminderd, doordat de elektronen vóór het treffen met de opvangplaat dooreenstatischelektrischveldworden afgeremd. Dit effectkanzosterkzijn, dat het langzaamste elektron uit het snelheidsspectrumjuistmetdesnelheid nulbijdeopvangplaataankomt.Tenge
inhetmiddelpuntvandeontwikkeling bij lopende-golfbuizen staan de be
trouwbaarheid, de verbeteringvanhet rendement, alsook het gewichtvande lopende-golfbuizenenhet buizen-koel-systeem, zonder dat de voorde over-drachtskwaliteit vereiste distorsiegren-zenwordenoverstreden.
AEG-Telefunkenheeft voorhet satel-liet-projectSytnphoniede buisvanhet typeTL4003geleverd(afb. 1)enisver
derbetrokkenbijallegrotereEuropese communicatie-satellietsystemen door de ontwikkelingvan speciale lopende-golfbuizen.
Bijdragen vanAEG-telefunkenaande ontwikkeling van lopende-golfbuizen voorsatellieten
Bij deontwikkeling van lopende-golf
buizenvoorsatellieten staan driepro
blemencentraal:
- tijdensdelevensduurvandesatellietmag debuisnietuitvallen.
- het door de buis opgenomen gelijk-stroomvermogenmoetzokleinmogelijk zijn.
- het gewicht van de buis moet zoklein mogelijkzijn.
Experimenteel is een gemiddelde tijd tot aanuitval („meantimetofailure”
=MTTF)vastgesteldvan620000uur Omdatinstallietenhetuitwisselenvan een verbruikteofuitgevallen lopende-golfbuisnietmogelijkis,wordenaande levensduurende betrouwbaarheidbij
zonder hoge eisen gesteld. Figuur 3 toont voor buizen hetprincipiële ver
loop van het uitvalpercentage bij een zeergrootaantalexemplaren, uitgezet tegen de tijd. De kromme neemt de vormaanvaneen„badkuip”metdrie belangrijkegedeelten:
- gedeeltemetvoortijdigeuitval
- gebiedmeteenconstantuitvalpercentage - gebied met uitval tengevolge van
bruik Principevanlopende-golfbuizen
Figuur2toontinschematischevormde opbouw van een lopende-golfbuis. In hetelektronen-kanon wordt een elek
tronenstraalopgewekt,welkenauittre
denuithetkanoneentrajectdoorloopt, dat wordt beinvloed door een vertra-gingssysteem.
Tijdens het doorlopen van dit traject zorgt eenmagneetsysteemervoor, dat de diameter van een elektronenstraal bij benadering constant blijft. Vervol
genswordtde straalopgevangendoor eenvangplaatofcollector. Alsdesnel
heden van de hoogfrequente golf, die door de vertragingslijn loopt en de
gehjkstroombron + UC
hoogfrequentbron
Uh ingangsenergie uitgangsenergie
Pt Pi
2
z
II Fig.de lopende2. Ophouwgolfbuisvanschematisch voorge
RADIOELECTRONICA1974No.23 791
6
“
b*0w
*nlX •n4 W0|
2 »00
WO
consfonfe “00
mm 0 ■<25mm
"00
2 *»»%»
:An3|I A\\*'rrtm.’N VA\V 4
2eCOLLECTOR 1*COLLECTOR
10* 105 106
Fig.x Fig.4.TweetrapscollectorvandeTL 12022.
lijkstroom vermogen, waaruit het hoofdfrequent zendvermogen voor de satelliet moet wordenverkregen,moet zokleinmogelijkzijn.Dezeeisisbegrij
pelijk, omdat de zendversterker de grootste energieverbruikerin de satel
lietvormtendaarmeebepalendisvoor de groottevan deenergiebron, d.w.z.
volgens de huidigestand der techniek degroottevandezonnecelpanelen.Bo
vendien moethelinwarmteomgezette verliesvermogen door het oppervlak van de satelliet worden uitgestraald in de ruimte. Hoe groterdeaftevoeren hoeveelheidwarmteis,deste omvang-rijkerwordenookdemiddelenomdeze warmte af te voeren naar het satel-lietoppervlak.
De kwaliteit vaneen lopende-golfbuis wordtin ditopzicht bepaalddoorhaar rendement. Dat is de verhoudingvan het afgegeven hoogfrequentvermogen tothetopgenomen gelijkstroomvermo-gen. De grootte van het bereikbare rendement bepaalt in wezen het ge
wichtvandegehelesatellietendaarmee ook de grootte van de raket, die de satelliet inzijnomloopbaan brengt,en daarmee tenslotte ook de kosten van het satellietenstelsel. Om deze reden wordt bijzondereaandachtgeschonken aande verbeteringvanhetrendement.
Het is gebleken dat het bereikbare Omhetoptredenvanvoortijdigeuitval
bij hetgebruikte vermijdenwordteen gereed aantal buizen bij de fabrikant onderworpenaan een duurproef. Alle exemplarenwaarvandeeigenschappen gedurende deze proef verslechteren, wordenalsonbruikbaarvoorgebruikin eensatellietuitgesorteerd.Dit sorteer-procesvereisteentijdvan1000tot2000 bedrijfsuren. Uitval tengevolge van verbruik mag tijdens de bedrijfsduur vandesatelliet,d.w.z.gedurende6tot 10jaar.eveneensniet voorkomen.Het experimenteelvaststellenvanhetbegin van verbruikseffecten is vanwege de langetijdsduurslechtsinbeperktemate mogelijk. Erwordtdaaromdusdanigte werk gegaan, dat alle in aanmerking komende verbruiksparameters worden onderzocht ende kritischegrootheden sterk worden overgedimensioneerd.
Daardoorwordendeverbruikseffecten pasmerkbaarnaeentijd,dieaanzien
lijklangerisdandebedrijfstijd.
Hetmiddelstedeelvande ,,badkuip”-krommemetconstantuitvalpercentage geeft het gebied aan, dat met behulp vanlevensduurprogramma’swordton
derzocht en dat ook bij de hoogste waarde van het uitvalpercentage niet mag worden overschreden. In plaats vandituitvalpercentagewordtmeestal eenvereistegemiddeldetijdtotaanuit
valopgegeven. Degevraagdewaarden liggentussen 250000tot500000uur.
Totnutoezijnindebuizenfabriekvan AEG-Telefunken in Ulm twee levens-duurprogramma’s uitgevoerd met lo-pende-golfbuizen voor satellieten t.w.
deTL4002(4GHz.10W)endeTL4003 (4 GHz, 13 W). Bij deTL4002iseen MTTF-tijd van meer dan 620000uur
vastgesteld,terwijlbijdeTL4003totnu toe370000werdaangetoond. Ditpro
grammaloopt nogeniederedagwordt de MTTF-tijd vergroot met 1200 uur.
Een derde levensduurprogramma met het typeTL 12022voorde OTS (Or-bital Test Satellite) van ESRO (Euro-pean Space Research Organization) wordt momenteel opgezet. Om in het kadervan satellietprogramma'sderge
lijkebetrouwbaarheidsmetingen op de juistewijzeuittekunnenvoeren,moe
ten 20 tot 50 proefopstellingen tege
lijkertijd in werking zijn. Het spreekt vanzelf, dat deze duurtesten kostbaar zijn; ze vormen in feite de grootste financiële postbij de ontwikkelingvan lopende-golfbuizen voor satellieten.
Eenreproduceerbaarresultaatvander
gelijkebetrouwbaarheidsmetingenver
eistbovendieneenongewoongrotebe
heersing van de technologie van het testexemplaar. Hierdoorwordthetbe
grijpelijk,dat inEuropatotnutoe,be
halve bij AEG-Telefunken, op geen enkele andere plaatsvergelijkbare re
sultatenwerdenbereikt.
Rendement totboven42%verbeterd Inhetontwikkelingslaboratoriumwerd eenoptimaledimensioneringgevonden voor lopende-golfbuizen met een en-keltrapscollector. Hetopgenomen ge-Afb.6. Denieuwont
worpen buis TL 12S00 met hiernaast tervergelijkingdeTL 12022.
Afb. 5. De onlangs uitgekomen tweetraps lopende golfbitis Tl 12022meten zonder behuizing.
792 RADIOELECTRONICA1974No.23
optimum van het rendement bij een buis met een enkeltraps collector ge
bonden is aan een fysisch bepaalde grens.Debereiktewaardevan36%,die tol nu toe op geen andere plaats in Europa werdovertroffen, ligtdichtbij deze grens. Bij een lopende-golfbuis meteenhoogfrequentvermogenvan20 Wbetekentdit rendementvan36%dat altijdnogca36W,d.w.z.bijnahetdrie
voudige van het hoogfrequent vermo
gen, in warmtewordtomgezet.
met de meest ongunstige bedrijfsom
standigheden, welkezichvoordoenals geen uitgangsvermogen wordt uitge
straald, is bij dit voorbeeld met een rendementvan 36%het verliesvermo-gendan56%groterdanbijvolle uitstu-ring. Bij de nieuwe lopende-golfbuis met meertraps collector is echter, als gevolgvan de verschillende snelheids
verdeling in de elektronenstraal, het opgenomen gelijkstroomvermogenaf
hankelijkvanhethoogfrequentvermo
gen. In hetgunstigstegeval kanhetin warmteomgezettevermogennagenoeg onafhankelijkwordenvanhethoogfre
quentuitgangsvermogen. Ditbetekent bij een rendement van 42% ook een 42%geringer thermisch verliesvermo-gent.o.v.hetgevalvandeeentrapsbuis methetzelfderendementresp.een50%
kleinerthermisch verliesvermogendan het geval van een eentraps lopende-golfbuis meteen rendement van 36%.
Dienovereenkomstig iseenaanzienlij
kebesparingophetkoelsysteemvande satellietmogelijk.Denieuwe-tweetraps lopende-golfbuisTL12022isinafb.5 metenzonderbehuizinggetoond.
i
i
Meertrapscollectoren verhogen het rendementenverminderenhetverlies
vermogen
Bijdebovenstaandeverklaringvanhet principe van de lopende-golfbuizen werd gewezen op de mogelijkheid om elektronen, welke met verschillende snelheid bewegen, intevangenopcol
lectoren met verschillende spannings
waarden. Dit principeisreedslangbe
kend. Bij toepassingervanstuittemen tot nu toe op hetneveneffect,dat aan iederecollectortrapsecundaireelektro
nen ontstaan. Deze worden, normaal gesproken,versnelddooreninderich
ting van een collectortrap met hogere spanning. Daarbijontstaateenverlies
vermogendatinhetongunstigstegeval leidt tot een lager rendement van de buis in vergelijking met een buis met een enkeltraps collector. Het rende
ment kan pasworden verbeterd alsde schadelijkeinvloedvandezesecundaire elektronen kanworden uitgeschakeld.
Dit heeftAEG-Telefunken bereiktbij de lopende-golfbuis TL 12022 (12 GHz, 20 W) met een tweetraps col
lector en een extra magnetische lens tussen de eerste en tweede collector
trap. Figuur4toontdeopbouwvande
ze collector en de verdeling van de elektronenmetverschillendesnelheden overdezecollectortrappen.
Uit deze figuur blijkt dat elektronen meteensnelheid,lagerdan500worden ingevangendoorde eerstecollectoren de anderen door de tweede collector.
Dezebuisheefteenwerkingsgraadvan N =42%.
Deze buis met tweetraps vangplaat biedtbovendien noghetverderevoor
deel, dat het maximaal optredende thermischeverliesvermogentijdensbe
drijfaanzienlijkwordtverminderd.Het isbekend, dathetinwarmteomgezette verliesvermogenvaneenlopende-golf
buisgelijkisaanhetverschiltussenhet uit de voedingsbron opgenomen ver
mogen en het inhoogfrequentenergie omgezettevermogen. Bijeen„norma
le” buis is het uit de voedingopgeno
menvermogenpraktischonafhankelijk van het hoogfrequentvermogen. Om
dat bijdedimensioneringvandesatel
liet rekening moet worden gehouden
Afb. 7.Familielopendegolfbuizen.
Deinspanningentotverdereontwikke
lingvanlopende-golfbuizenhebbenge
leid tot resultaten, die in belangrijke mate kunnenwordenovergedragenop de uitvoeringen vooraardsetoepassin
gen, dus bijvoorbeeld voor gerichte radioverbindingen. De resultaten van derendementsverbeteringendeonder
zoekingen van de levensduur kunnen ookvoordezetoepassingenwordenge
bruikt. Deinstappenvastgestelde,ge
programmeerde
biedtmogelijkhedenvoorvermindering van de fabricagetoleranties, hetgeen geleid heeft tot een vermindering van hetaantalinstelparameters. Inafb.7is eenhelegeneratievanlopende-golfbui
zen voorgerichteradiotransmissie ge
toond,welkedirectzijnafgeleidvanhet meereisendeprogramma voorsatelliet-toepassingen.
Nieuwe ontwikkeling voor geplande radio/televisie-satellieten
Communicatie-satellieten werden tot nu toegebruikt voor regionale ofwe
reldwijde radioverbindingen. In de laatstetijdwordenplannengemaakten voorbereidingen getroffen voor een radio/televisiestelsel,waarmeede huis-ontvangst van de door satellieten uit
gestraaldetelevisieprogramma’smoge
lijkmoetzijn(paraboolopeigendak!) Er wordt in het bijzonder aandacht besteed aan het frequentiegebied van 12 GHz, waarvooreen zendvermogen vanca500Wnodigis.Ditvermogenligt ééngrootte-ordehoger,danhetvermo
gen van de conventionele satellieten.
De ontwikkeling van de benodigde lopende-golfbuis-versierkers vereist nieuwe technologische werkwijzen, in verbandmeto.a.deontwikkelingende bouw van de vertragingslijn en een magneetsysteem met nieuwe materia
len.AEG-Telefunkenisvanzinsdeop
vangplaatuittevoerenmetvijftrappen, teneinde het rendement tot boven de 50%te verbeteren. Maarzelfsdanzou eenkoelsysteem,datopdezelfdewijze alsbijdetegenwoordigecommunicatie satellieten is opgebouwd, een ontoe
laatbaargrootgewichtvereisen. Daar
om isvoordelopende-golfbuisvande radio/televisiesatelliet gedachtaaneen hogere bedrijfstemperatuur voor de collector en het direct in de ruimte afstralen van de warmte van de col
lector. Eenmodelvandezeontworpen nieuwebuisTL 12800wordt getoond inafb.6.
fabricagemethode
Schakelgedraghalfgeleiderdioden (Vervolgvanblz. 787).
Hetvoordeschakeltijdoptimalecircuit Langsempirischewegisvastgestelddat optimale schakelconditieswordenver
kregen als:
A. De tijdsduur van de voorwaarts-stroomimpulszokortmogelijkis B. De amplitude van de voorwaarts-stroom uit hetoogpunt vande betref
fendeschakelingzo kleinmogelijkis C. De tegenwaartsstroomimpuls uit hetoogpuntvandebetreffendetoepas
singmaximaalis
D. Deimpedantievandeexternescha
kelingminimaalis
E. De omgevingstemperatuur waarin dediodebedrevenwordt,zolaagmoge
lijkis.
Literatuur.
Spcnkc,Eberhard.ElectronicSemiconductors. McGraw HillBookCompany,NewYork.195S.
Ko.Wen-Hsiung.TransientBehaviorofJunctionDiodes -ThcoryandApplications.DoctoralThesis.CaseInstitute ofTechnology.195**.
BulletinCA61.TexasInstruments.
RADIOELECTRONICA1974No.23 793
D.H.Schravendeel
Viervoudige
tijdcircuits
1-2-4-8-16-...Een heel bekendemeetkun
digereeks.OokdeIContwerpersSigne
tjesschijnendezegoedonderdekniete hebben. Zo'n anderhalf jaar geleden kwamdezefabrikant,alseerste,meteen geïntegreerdetimer,denuoverbekende NE555.Enigetijdlaterverscheendedub
beleuitvoering, deNE556. Ennuweer een primeur, degeïntegreerde quadti
mers,NE553en554.
1-2-4'-...Devolgendestapindezereekszal waarschijnlijkwelnooitkomen,hoewel, jeweetmaarnooit.Beidetypenbevatten vier,volwaardige,timersinéén16pens DIL behuizing.Tenopzichte vande555 moestenerwelenigeconcessiesworden gedaanwatbetreftdemogelijkheden.De 555kanzowelstroomleverenalsstroom opnemen(sinkingensourcing).
Endanzelfs200mAmaximaal.Bijde553 en554isdit,vooriederetrapafzonderlijk teruggebrachttotmaximaal 100mA.
De553kanalleeninde„sinkmode"wor
dengebruikt,terwijlde554voor „sour-ce" toepassingen is bedoeld. Ook de reset mogelijkheid ontbreekt bij deze Quad.Elketrapbestaatuiteen compara-tor, flipflop, ontlaad-transistor en een uitgangstrap(fig. 1).DeVccende0zijn vcc voor alle trappen gemeenschappelijk, evenalstrouwens dereferentiespanning voordecomparatoren.Het referentienet-werkbestaatuiteentweetalweerstanden (Vervolgblz.796).
Fig. 1. ViervoudigtijdcircuitNE553/554.
vcc
1“
*L R1 \*L R2R
Tr
Tr r
Tr T
U
U Cl C2
U C
I
uitgang
Fig.2.Enkelvoudigeimpulsgever
(oneshot)T=RC. Fig.3.Astabielemultivibrator.
w_*Ó0"_tnV v(\
*iTr T Tr T Tr Tr
U U U
VCC C c C c
w
0“
>i
Tr T
►f
uitU cv U c.v
Cl C2
>1
T:IRC R=10M CxWO/j T:2uur
-ouitgang Fig.5.One-shotvoorlangetijden. T=4RC, R= 10MCI C= 180pF.Detotaletijdis2uur.
Fig. 4. Blokgolfgeneratormetinstelbare frequentie.
vcc
4] LI"* 4] [V "D iV "U |V
tnggertnggar
Tr T Tr T
Tr Tr
J
uitgang1 TlbRICl
U U
C2 C3
Cl Cl uitgang2
T2bR2.C2
O uitgang3 T3bR3.C3
uitgang1
Fig. 6.Opeenvolgendeimpulsgever(sequentialtimer).
uitgang2 uitgang3 uitgangl
TimRA.Cl uitgangl
RADIOELECTRONICA1974No.23
794
R.T.C.Lievegocd.
Buchenbach,Duitsland.
Intercom met 10 aansluitingen
op,diegelijkzijngeschakeld,resp.Ry6-7-8, Ry9-10-11 enRyI2-13-14.
Deze verzorgen de impulsenvoorhet bel-signaal, voordeingesprektoonenvoorhet resetten van het stappenrelais. Zet men spanning op de moedercontacten van de eerstetweerelais,danzullendeze(endaar
meeookhetderderelais)opkomenen afval-lenineenritme,bepaalddoordewaardevan de condensatoren en weerstanden. Alle weerstandenzijn 1000ft,deelco'svoorhet (langzame) belsignaal 400 en 250 nF. die voorde ingesprektoon I00en 70.dievoor hetresetten I6en8.
Beschikt menoverrelaismetmeercontac
ten,dan heeftmenersteedsmaartwee in plaatsvandrienodig.
Defunctievandeandererelaiszalworden besprokenaandehandvanwatgebeurtbij hetmakenvaneenverbinding.
Bij het opnemen van een toestelkomt er spanningtestaanopde „resetlijn”(ziebe
schrijvingfig.1).Relais15zalaantrekkenen spanningzettenopde impulsgevervoorde ingesprektoon en tevens via de contacten van relais3opdievoorhetbelsignaal.Te
venszalviadecontactenvanRy4hetrelais Ry5aantrekken.Ry5verbreektde signaal-verbindingtussende „lijn”enhet moeder-contactvanbaan,,A”vanhetstappenrelais.
Dezeverbindinggeschiedtviaeencondensa
torvan2/xF.Zoumentijdenshetoproepen dezeverbindinglatenbestaan,danzoudoor hetbelsignaal(60voltAC)relais5uitsche
ma I vanhetoproependetoestelindewar komen. Om hetwerkenvan hetbelsignaal bij de opgeroepenc aande oproeperdoor Begin 1971 vroegeen vriendmijvoorhemtegennietaltehogekosteneenintercomsysteem
tebouwenvoormeerderetoestellen,waarbijliefstperaansluitingéén(dubbelpolige)draadno
digzouzijn,vanwegederelatiefgroteafstanden.Ikbesloottoeneentelefooncentraletebouwen, werkendmetnormaletelefoontoestellen,zoalsdezeindesurplushandeltekrijgenwaren.
Hoewelikdoormijnverblijfbuitenslandsnietveelmeeraanmijnhobbykandoen,ishetwel enweevandezetelefooncentralemeblijveninteresseren.Omdathetgeheelzogoedwerktmeen
deik,datwellichtookanderenvandeschakelingofvandelenervanzoudenkunnenprofiteren, alisdeopzetmisschiennietechtspitsvondig.
Ikbenmebewustdatdeschakelingweinigelektronischis.Relaisrakenuitdetijd,met
Ikbenmebewustdatdeschakelingweinigelektronischis.Relaisrakenuitdetijd,met