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Gleichspannungsumformer Gegenstand der vorliegendenErfindungist ein Gleichspannungsumformer mit einem über einen Transformator rückgekoppelten Transistoroszillator und einem Gleichrichter zur Erzeugung einer etMhten Gleichspannung an einem Ausgangsklemmenpaar durch Gleichrichten der Oszillatorschwingungen, wobei der Emitter-Basiskreis des Transistors oder jedes der Transistoren des Oszillators in den Ausgangs-Gleichstromkreis des Umformers in der Durchlassrichtung eingeschaltet ist.
Derartige Gleichspannungsumformer sind bekannt, namentlich aus den österreichischen Patentschriften Nr. 185405 und Nr. 194910 und der deutschen Patentschrift Nr. 1009675.
Die bekannten Umformer können u. a. insofern ungünstig arbeiten, Indem die gleichgerichtete Spannung bei Ausschalten der Belastung stark zunimmt. DieBetriebs-Ausgangs-Gleichspannung wird daher durch die Bedingung stark herabgesetzt, dass die Kollektorspannung und die Ausgangsspannung bei abgeschalteter Belastung die für die verwendeten Transistoren und Gleichrichter sowie für anfällige Glättungs- kondensatoren zulässigen Werte niemals überschreiten dürfen.
Die Erfindung gibt eine Schaltmassnahme an, wodurch die für verschiedene Schaltelemente gefährlichen Leerlaufspannungen auf einfachste Weise vermieden werden, wobei die im Leerlaufbetrieb aufgebrachte Leistung gleichzeitig in einem erstaunlich grossen Masse herabgesetzt wird.
Der Gleichspannungsumformer nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter-Basis-
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Vorzugsweise enthält der Ausgangs-Gleichstromkreis des Umformers auch noch die GleichspannungsSpeisequelle, so dass die Basis des Transistors oder jedes der Transistoren über die Belastung mit der Schwellenspannung des Überbrückungsgleichrichters in der Durchlassrichtung vorgespannt ist. welche Vorspannung das Einschwingen des Oszillators begünstigt.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, worin ;
Fig. 1 das Schaltbild einer ersten Ausführungsform darstellt, Fig. 2 die Belastungscharakteristiken der Ausführungsform nach Fig. 1 wiedergibt, Fig. 3 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform und Fig. 4 das Schaltbild einer dritten Ausführungsform darstellt.
Die Ausuhrungsform nach Fig. 1 enthält zwei im Gegentakt arbeitende Transistoren 1 und 2, die aber einen Transformator 3 derart rückgekoppelt sind, dass ihre Hauptstromkreise abwechslungsweise leitend und nicht-leitend sind. Der Transformator 3 hat eine Primärwicklung 4, deren Enden an beide KollektorElektroden der Transistoren 1 und 2 angeschlossen sind. Diese Wicklung Ist mit einer Mittelanzapfung versehen, welche unmittelbar mit dem Minuspol einer Speisegleichspannungsquelle 5 verbunden ist. Die positive Klemme der Speisequelle 5 ist über eine Entstörungsdrossel 6 mit den Emitter-Elektroden der Transistoren 1 und 2 verbunden, und ein Elektrolytkondensator 7 ist an diese Emitter-Elektroden und die Mittelanzapfung der Wicklung 4 angeschlossen.
Eine Rückkopplungswicklung 8 des Transformators 3 ist zwischen die Basis-Elektroden der Transistoren 1 und 2 geschaltet. Auch diese Rückkopplungswicklung hat eine Mittelanzapfung, welche über einen einstellbaren Widerstand 9 und eine in bezug auf den Buisstrom in Sperrichtung geschaltete Diode 10 mit den Emitter-Elektroden der Transistoren 1 und 2 verbunden
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ist. Eine Sekundärwicklung 11 des Transformators 3 ist über einen Gleichrichter, bestehend aus zwei Dioden 12 und 13 in Spannungsverdopplungsschaltung mit zwei in Reihe geschalteten Elektrolytkondensatoren 14 und 15 verbunden.
Die negative Elektrode des Kondensators 15 und die Anode der Diode 13 sind mit dem gemeinsamen Punkt des Widerstandes 9 und der Diode 10 verbunden, während die positive Elektrode des Kondensators 14 und die Kathode der Diode 12 über einen Glättungswiderstand 16 mit der positiven Ausgangsklemme des Umformers verbunden sind. Die negative Ausgangsklemme des Umformers ist unmittelbar mit der negativen Klemme der Speisequelle 5 verbunden, so dass die Spannung dieser Quelle zur Erhöhung der Ausgangsspannung des Umformers beiträgt. Schliesslich ist noch ein Glättungskondensator 17 an die Ausgangsklemmen des Umformers angeschlossen.
InbekanntenGegentaktumformerschaltungen, z.B.inderUmfosrmerschaltungnachderdeutschenPatentschrift Nr. 1009675. ist der Ausgangskreis oder Belastungskreis meistens durch einen Transformator wie der Transformator 3 vom Eingangskreis und von der Spsisequelle gleichstrommässig vollständig getrennt. In der
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Patentschrift Nr. 194920 wurde vorgeschlagen, den grösstenteils ungeglätteten Strom, derwird. an die Basis des Transistors oder an die Basis jedes der Transistoren zurüekzuführen. so dass dieser Strom dieEmitter-Basisschicht leitend macht. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel enthält der Ausgangsgleichstromkreis ähnlicherweise die Basis-Emitterkreise beider Transistoren 1 und 2, sowie die Drossel 6 und die Speisequelle 5.
Der mittlere Basis-Emitterstrom beider Transistoren ist somit höchstens gleich dem Be- lastungsstrom, denn dieser Strom kann auch über die Diode 10 fliessen, welche die Basis-Emitterkreise der
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inBelastungsstrom in der Durchlassrichtung geschaltet ist. Die Basisströme der Transistoren 1 und 2 hängen in erster Linie ab von der Rückkopplung über die Wicklungen 4 und 8 des Transformators 3. Sie werden ferner begrenzt durch den einstellbaren Widerstand 9, welcher im Kreise jeder der Basiselektroden in Reihe geschaltet ist. Dieser Basisstrom muss jedoch über die Dioden 13 und 12, den Glättungswiderstand 16 und die an den Ausgangsklemmen des Umformers angeschlossene Belastung fliessen, so dass sein Mittelwert keinesfalls grösser sein kann als der Belastungsstrom.
Hingegen kann der Belastungsstrom über den Glättungswiderstand 16 und die Dioden 12 und 13 ebenfalls über die Überbrückungsdiode 10 fliessen, so dass er grösser sein kann als der mittlere Basisstrom der Transistoren 1 und 2. Daraus ergeben sich sehr günstige Belastungseigenschaften ?
Erstens entsteht über der Diode 10 ein gewisser, wenn auch kleiner Spannungsabfall, so dass der mittlere Basisstrom und damit auch der mittlere Kollektorstrom der Transistoren 1 und 2 bei zunehmender Belastung bestrebt ist, etwas zuzunehmen, wodurch die zunehmende mit Belastung stattfindende Abnahme der Spannung über den Wicklungen 4 und 8 mindestens teilweise kompensiert wird, so dass der Umformer einen verhältnismässig kleinen Eigenwiderstand aufweist.
Zweitens kann bei Ausschalten der Belastung kein Strom mehr nach den Basiselektroden der Transistoren 1 und 2 fliessen, so dass der Oszillator mit den Transistoren 1 und 2 zu schwingen aufhört. Dies ist eine sehr günstige Eigenschaft. Bei allen bekannten Umformern steigt in der Tat die Ausgangsspannung verhältnismässig stark bei gänzlichem Ausschalten der Belastung. Diese erhöhte Ausgangsspannung kann für verschiedene Schaltungselemente gefährlich seins in erster Linie für die Gleichrichterdioden 12 und 13, dann aber auch für die Transistoren 1 und 2, sowie für die Kondensatoren 14, 15 und 17.
Mit steigender Ausgangsspannung steigt tatsächlich auch die Wechselspannung über den Wicklungen 4, 8 und 11, so dass die Durchschlagspannung an den Kollektorelektroden der Transistoren 1 und 2 sowie die Durchschlagspannung der Dioden 13 und 12 unter Umständen überschritten werden kann. Bei ausgeschalteter Belastung und unter Annahme eines sehr kleinen Leckstroms des Elektrolytkondensators 17 sowie der Kondensatoren 14 und 15 fliesst doch ein kleiner Leckstrom in der Sperrichtung durch die Dioden 12 und 13.
Durch diesen Leckstrom werden sowohl die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 1 und 2 als die Diode 10 in der
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1 und 2 durch Unterbrechung des vorwärtsgerichteten Basisstromes noch unterstützt. Durch diesen Leckstrom werden die Kondensatoren 14, 15 und 17 allmählich entladen, und im Augenblick, in welchem der Leckstrom über die Dioden 12 und 13 nicht mehr genügt, um die Diode 10 gesperrt zu halten, fängt der Oszillator wieder zu schwingen an und wird wieder nach Aufladen der Kondensatoren. 14, 15 und 17 gesperrt, wenn die über jeder Hälfte der Wicklung 8 erzeugte Spannung kleiner wird als die durch den Leck-
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ohne Zögern zu schwingen anfängt.
Dazu ist es erwünscht, dass die Schwellenspannung der Überbrückungsdiode 10 etwas grösser ist als die Schwellenspannung der Basis-Emitter-Dioden der Transistoren 1 und 2.
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wählt. Bei ausgeschalteter Belastung ist, wie schon erwähnt, der Basisstrom jedes der Transistoren praktisch gleich Null. Der maximale Kollektorstrom jeder der Transistoren ist dann auch sehr klein, so dass nur sehr wenig Energie im Transformator 3 aufgespeichert wird. Während der nichtleitenden halben Periode jedes der Transistoren braucht deshalb beinahe keine Energie von dem Transistor nach der Speisequelle 5 zu- rückgeführt zu werden.
In den bekannten Gegentaktumformern fliesst dieser Rückstrom durch die eine
Hälfte der Wicklung 4 nach der dann positiv vorgespannten Kollektorelektrode des entsprechenden Tran- sistors 1 oder 2 und über die Kollektor-Basis-Strecke dieses Transistors zurück nach dessen Emitter-Elektrode.
In der Schaltung nach Fig. 1 ist jedoch der Weg nach der Emitter-Elektrode des Transistors 1 oder 2 in
Abwesenheit der Belastung gesperrt durch die Diode 10. Durch diesen Umstand wird eine starke Zunahme der Ausgangsspannung und der Wechselspannung über den verschiedenen Wicklungen des Transformators 3 bei abnehmender Belastung verhindert ; die Belastungscharakteristik verläuft im allgemeinen flacher und weist vor allem keine starke Zunahme der Ausgangsspannung bei sehr kleiner Belastung auf.
Theoretisch sollte die Frequenz der erzeugten Schwingungen ungefähr umgekehrt proportional mit dem Spitzenwert des Kollektorstromes jedes der Transistoren zunehmen. Im unbelasteten Zustand ist diese Frequenz jedoch begrenzt durch die a'-Grenzfrequenz der Transistoren, welche für den erwähnten Typ OC72 in der Um- gebung von 8kHz liegt.
In einem ausgeführten Gleichspannungsumformer nach Fig. 1 waren die Transistoren 1 und 2 vom Typ OC72. Die Gleichrichterdioden 12 und 13 und die Überbrückungsdiode 10 waren alle vom Typ OA81.
Der Kondensator 7 war ein Elektrolyt von 12,5 V und 100 pif, die Kondensatoren 14 und 15 waren Elektrolyten von 70 V und 10 li F und der Kondensator 17 war ein Elektrolyt von 150 V und 8 p F. Der einstellbare Widerstand 9 hatte einen maximalen Wert von 2000 Ohm und der Widerstand 16 einen Wert von
220 Ohm. Der Transformator 3 war in einem Ferroxcube-Topfkern gewickelt. Die Wicklung 4 hatte 156 Windungen. die Wicklung 8 hatte 94 Windungen und die Wicklung 11 hatte 750 Windungen. Die Frequenz der Oszillatorschwingungen war ungefähr 2000 Hz bei voller Belastung und nahm stark zu bei abnehmender Belastung, wobei der höchste Wert dieser Frequenz bei ungefähr 10 kHz lag. Dank der Anwesenheit der Entstörungsdrossel 6 und des Kondensators 7 war die Entstörung sehr gut.
Allerdings musste der ganze Oszillator ausschliesslich der Eingangs- und Ausgangsklemmen und der Speisequelle 5 in einer gepressten Aluminiumbuchse mit Deckel eingebaut werden.
Fig. 2 stellt Belastungscharakteristiken dieser Ausführung dar. Bei normaler Belastung lieferte dieser Spannungsumformer einen Strom Io von 9 mA bei einer Ausgangsspannung Vo von 90 Volt. Dabei betrug der aufgenommene Gleichstrom 250 mA bei einer Speisegleichspannung von 6 V, so dass die totale Verlustleistung Wv bloss 0,42 Watt betrug. Bei Ausschalten der Belastung sank der aufgenommene Gleichstrom auf 0,8 mA, wobei der Oszillator zu schwingen aufhörte. Die Transistoren waren je mit einer Kühlrippe versehen. Der maximal zulässige Kollektorstrom von 250 mA wurde im ungünstigsten Belastungsfall kaum erreicht, wobei die in jedem Transistor verbrauchte Leistung 0, 1 Watt war. so dass eine Umgebungstemperatur von 45 noch zulässig war.
Aus der Belastungskurve ist ferner ersichtlich, dass der Eigenwiderstand des Umformers bei einem Belastungsstrom kleiner oder gleich 9 mA ungefähr 2500 Ohm betrug.
Das zweite Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 enthält einen Transistor 1, welcher über einen Transformator 3 mit Wicklungen 4,8 und 11 zurückgekoppelt ist. Dieser Umformer ist vom Typ, welcher in der österreichischen Patentschrift Nr. 194920 beschrieben ist, wobei der grösstenteils ungeglättete Strom, der über einen Gleichrichter 12 an eine mit den Ausgangsklemmen des Umformers verbundene Belastung zugeführt wird, anderseits an die Basis des Transistors zurückgeführt wird und dabei die Emitter-BasisSchicht dieses Transistors 1 leitend macht. In dieser Schaltung ist die Rückkopplungswechselspannung mittels einer Anzapfung der Wicklung 8, 11 des Transformators 3 bestimmt.
Diese Anzapfung ist aber einen Kondensator 18 mit der positiven Klemme der Speisequelle 5 verbunden, so dass nur der Teil der an der an der Wicklung 8, 11 erzeugten Wechselspannung, der über die Teilwicklung 8 entsteht, im Basiskreis des Transistors 1 wirksam ist. Mit der Teilwicklung 11 ist der Kondensator 14 parallel geschaltet. Der Kondensator 18 soll in bezug auf die Sperrspannungsimpulse, erzeugt über der Teilwicklung 8, eine kleine Impedanz aufweisen, und der Kondensator 14 soll die Spitzenspannung über der Diode 12 während der Sperrzeit des Transistors 1 herabsetzen.
Wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist auch in diesem Ausführungsbeispiel der Basis-EmitterStromkreis des Transistors 1 durch eine Diode 10 überbrückt. Diese Diode ist mit dem Kondensator 18
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parallel geschaltet, in der Durchlassrichtung in bezug auf den Belastungsstrom und in der Sperrichtung in bezug auf den Basisstrom des Transistors 1. Dieser Basisstrom kann somit nicht grösser als der Belastungs- strom werden, während der Belastungsstrom seinerseits über die Diode 10 fliessen kann und grösser als der
Basisstrom des Transistors 1 werden kann. Falls erwünscht, kann auch in dieser Schaltung ein Reihenwider- stand 9 im Basisstromkreis aufgenommen werden.
Die sich aus der Massnahme nach der Erfindung ergeben- den Vorteile in bezug auf den Umformer nach der österreichischen Patentschrift Nr. 1949 20 sind dieselben die schon an Hand des Ausführungsbeispieles der Fig. 1 erörtert wurden.
Das dritte Ausführungsbeispiel, dargestellt in der Fig. 4, enthält wieder einen Transistor l, welcher über einen Transformator 3 mit Wicklungen 4 und 8 rückgekoppelt ist. Der gezeigte Transistoroszillator ist jedoch ein Sperroszillator von einem Typ, der schon in der österreichischen Patentschrift Nr. 185405 beschrieben wurde.
Die erzeugten Spannungsimpulse haben dabei die Gestalt sehr kurzer Rückschlagim- pulse. während welcher die im Transformator 3 aufgespeicherte Energie über einen Gleichrichter 12 einem
Glättungskondensator 17 zugeführt wird. Wie in einem Ausführungsbeispiel nach der österreichischen Pa- tentschrift Nr. 185405 ist der Belastungskreis des Umformers gleichstrommässig über die Basis-Emitter-
Strecke des Transistors 1 geschlossen, so dass der mittlere Basisstrom dieses Transistors in Abwesenheit einer Diode 10 oder eines an ihrer Stelle in dem erwähnten Ausführungsbeispiel der österreichischen Pa- tentschrift Nr. 185405 dargestellten Widerstandes gleich dem Belastungsstrom sein müsste.
In der Patent- schrift wird auch schon erörtert, dass der an dieser Stelle der Diode 10 geschaltete Widerstand unter ge- wissen Umständen weggelassen werden kann, nämlich bei einem bestimmten, von der Stromverstärkung des Transistors 1 abhängigen Verhältnis zwischen der Spannung Vo über der Belastung und der Spannung der Speisequelle 5. Wie in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 3 ist der Basis-Emitter-Kreis des
Transistors 1 überbrückt durch die Diode 10, der ein Kondensator 18 parallel geschaltet ist. Dadurch wird auch in diesem Fall erreicht, dass der Basisstrom des Transistors 1 höchstens gleich dem Belastungsstrom seinkann, und dass dieser Belastungsstrom grösser als der mittlere Basisstrom des Transistors 1 werden kann.
Der Kondensator 18 soll in bezug auf die steilen und kurzen Sp2rrimpulse. erzeugt über der Wicklung 8, eine kleine Impedanz aufweisen, so dass am Ende jeder Magnetisierungsperiode des Transformators 3 durch den zunehmenden Kollektorstrom eine vollständige und plötzliche Sperrung des Transistors erzielt wird. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann ein Reihenwiderstand 9 im Basis-Emitter-Kreis des Transistors 1 nützlich sein. Mittels dieses Widerstandes kann man den Spitzenwert des vorwärtsgerichteten Basisstromes des Transistors 1 und damit auch den Spitzenwert seines Kollektorstromes einstellen.
Wie an Hand der drei beschriebenen Ausführungsbeispiele erörtert wurde, kann die Massnahme nach der Erfindung auf mannigfaltige Transistor-Gleichstromumformerschaltungen angewendet werden, auch auf solche, deren Belastung langsam an-und schnell abgeschaltet wird oder umgekehrt. Dabei gewährt sie in jedem Fall einen Schutz der Schaltungselemente gegen etwaige SpannungsüberbelastungenimLeer- laufbetrieb und setzt die im Leerlaufbetrieb aufgenommene Speiseleistung in erstaunlich hohem Masse herab.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gleichspannungsumformer mit einem über einen Transformator rückgekoppelten Transistoroszillator und einem Gleichrichter zur Erzeugung einer erhöhten Gleichspannung an einem Ausgangsklemmenpaar durch Gleichrichten der Oszillatorschwingungen. wobei der Emitter-Basiskreis des Transistors oder jedes der Transistoren des Oszillators in den Ausgangs-Gleichstromkreis des Umformers in Durchlassrichtung eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter-Basiskreis durch einen ebenfalls in Durchlassrichtung des Ausgangs-Gleichstromkreises geschalteten Gleichrichter (10) überbrückt ist, so dass der mittlere Basisstrom des Transistors (1) oder der Transistoren (1, 2) höchstens gleich dem Ausgangsgleichstrom ist.