<Desc/Clms Page number 1>
Transistorspannungswandler
Die Erfindung betrifft eine selbstschwingende Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer niedrigen Gleichspannung in eine höhere Spannung. welche Anordnung zwei in Gegentakt geschaltete Grenzschichttransistoren und eine zwischen den Kollektorelektroden dieser Transistoren geschaltete Wicklung mit einer an eine Klemme der Quelle niedriger Gleichspannung angeschlossenen Mittelanzapfung enthält, wobei eine Kapazität mit der in den Kollektorkreisen der Transistoren wirksamen Induktivität einen Schwein- gungskreis bildet, dessen Resonanzfrequenz die Arbeitsfrequenz der Schaltung im wesentlichen bestimmt, auf einem Weit mindestens gleich dem Wert der 0±'-Grenzfrequenz der Transistoren.
Eine solche Schaltungsanordnung wurde bereits in dem älteren Patent Nr. 212438 beschrieben, bei dem in den Basis-Emitterkreis jedes der Transistoren ein RC-Glied eingeschaltet war und bei der Arbeits- frequenz der Schaltung die Impedanz der Kapazität dieses RC-Gliedes kleiner war als der Wert dessen Wi- derstandes.
Diese Massnahme ermöglichte eine gute Arbeitsweise bei verhältnismässig hohen Frequenzen ; die Basisstromspitze jedes der Transistoren eilte dem Kollektorstrom vor und Infolge der in der Bas1szone des Transistors gespeicherten freien Ladungsträger dauerte dieser Kollektorstrom sogar nach dem Sperren der Basis-Emitterstrecke des Transistors an und wurde vor der Umkehrung von dessen Kollektorspannung durch einen über die Kapazität des RC-Gliedes der Basis zugeführten Rückwärtsstromimpuls unterbrochen.
Bei dieser und bei ähnlichen Schaltungen eingangs erwähnter Art treten jedoch Schwierigkeiten auf infolge der Streuungen der Einschalt- und bzw. oder Abschaltzeiten und der Schwankungen der Stromverstärkungsfaktoren Q :'verschiedener Transistoren bestimmten Typs. Diese Schwierigkeiten bringen mit sich, dass die Transistoren mit verhältnismässig engen Toleranzen ausgewählt und bzw. oder die Schaltungsanordnungen je für sich eingestellt werden müssen, unter Berücksichtigung der charakteristischen Grössen der verwendeten Transistorexemplare. Weiter bereitet der Ersatz eines oder beider Transistoren meistens auch Schwierigkeiten.
In der älteren Erfindung wurden bereits Massnahmen zur Beseitigung oder wenigstens zurVerringe- rung dieser Schwierigkeiten angeaeutet. Trotz diesen Massnahmen bleiben die Schaltungsanordnungen eingangs erwähnter Art jedoch kritisch in bezug auf den Kollektor-Basisstromverstärkungsfaktor six '. Ist dieser Wert zu niedrig, z. B. niedriger als 40. so erfolgt, unter Umständen, die Basisinjektion zu schnell. Der Transistor wird durch die kapazitive Belastung gleichsam leer gesaugt, die Abschaltung kann zu früh stattfinden und es gelangt keine ausreichende Energie in den Schwingungskreis, so dass die Schaltung nicht mehr richtig arbeitet.
Die Erfindung bezweckt, eine Wandlerschaltung zu schaffen, die in bezug auf die charakteristischen
EMI1.1
durch jeden andern ersetzt werden kann.
Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Kollektor-Emitterkreis jedes Transistors eine kleine Induktivität in Reihe mit dem Schwingungskreis geschaltet ist, wodurch ein Kurzschluss dieses Kreises beim Leitendwerden dieses Transistors durch die Kapazität des erwähnten Schwingungskreises verhütet und zudem die Wirkung des der Basiselektrode zugeführten Einschaltimpulses gedehnt wird.
<Desc/Clms Page number 2>
Beim Leitendwerden eines Transistors ist dessen Anfangsbelastung dank dem Vorhandensein der kleinen Induktivität von z. B. 30 IlH induktiv. so dass dessen Kollektorstrüm. weniger schnell zunimmt. Der Basis-
EMI2.1
nungsimpulses weniger scharf.
Dieser positive Impuls ist auch noch dadurch entgegenwirkend, dass er die Transformatorrückkopplungsspannung herabsetzt. Sowohl die Vorder- als auch die Rückflanke sind weniger steil und die Dauer ist etwas länger. Der Impuls wird durch die kleine Induktivität gedehnt.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der die Fig. l, 2 und 3 die Schaltbilder dreier verschiedener Ausführungsformen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung zeigen.
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Umwandlung der niedrigen Gleichspannung einer Speisequelle 9 in eine hohe Spannung. Die Schaltungsanordnung enthält zwei in Gegentakt geschaltete Grenzschichttransistoren 1 und 2 und eine zwischen den Kollektorelektroden dieser Transistoren eingeschaltete Wicklung 8 mit einer an die Minusklemme der Quelle niedrigerGleichspannung 9 angeschlos- senen Mittelanzapfung. Eine Kapazität dargestellt als ein Kondensator 13 bildet einen Schwingungskreis mit der in denKollektorkre1sen der Transistoren wirksamen Induktivität, unter anderem die Induktanz des Transformators mit Luftspalt, mit der Wicklung 8 und einer Sekundärwicklung 10, über welche der Kon- deasator 13 angeschlossen ist.
Die Resonanzfrequenz dieses Schwingungskreises bestimmtim wesentlichen die Arbeitsfrequenz der selbstschwingenden Schaltung, auf einem Wert mindestens gleich der Grenzfrequenz des Kollektor-Basisstromverstärkungsfaktors < x* der Transistoren.
Wie dargestellt, ist die Basiselektrode jedes der Transistoren 1 und 2 einerseits über einen Widerstand 3 bzw. 4 und eine Rückkopplungswicklung 14 bzw. 15 des Transformators 7 mit der Kollektorelektrode des andern Transistors gekoppelt und für Gleichstrom mit der Plusklemme der Speisequelle 9 verbunden. Anderseits ist die Basiselektrode jedes der Transistoren 1 und 2 über einen Kondensator 5 bzw. 6mit der Kol- lektorelektrode des andern Transistors gekoppelt und schliesslich über einen Startwiderstand 16 bzw. 17 mit der Minusklemme der Speisequelle 9 verbunden. Soweit ist die geschilderte Anordnung identisch mit einer der Schaltungen nach dem älteren Patent Nr. 212438.
EMI2.2
Emilterkreis jedes der Transistoren 1 und 2 eingefügt.
In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die kleine Induktivität den Emitter-Kollektorkreisen beider Transistoren gemeinsam und zwischen der Minusklemme der Speisequelle 9 und der Mittelanzapfung der Wicklung 8 eingeschaltet.
Wie bereits im erwähnten älteren Patente beschrieben, werden die Rückkopplungsverluste dadurch verringert, dass der Entladungswiderstand 4 bzw. 3 des Rückkopplungskondensators 6 bzw. 5 nicht direkt zwischen der Basis des entsprechenden Transistors und dessen Emitter geschaltet ist, sondern jubel eine Hilfswicklung 15 bzw. 14 des Transformators 7. Der Teil des Energieverlustes im Widerstand 3 oder 4, der zusätzlich von dem Transformator geliefert werden muss, wird auf diese Weise verringert.
Wenn der Widerstand 3 oder 4 direkt über den entsprechenden Kondensator geschaltet wäre, würden grundsätzlich zwar die geringsten Rückkopplungsverluste auftreten, aber die Transistorabschaltung oder Sperrung würde infolge der schnellen Entladung des Kondensators 5 oder 6 weniger rasch erfolgen. Die Transistorverluste würden mit Rücksicht darauf wieder höher sein. Die Hilfswicklungen 14 und 15 können z. B. je ein Drittel bis eine Hälfte der Anzahl Windungen der entsprechenden Kollektorwicklung (Hälfte der Wicklung 8) besitzen.
Durch das Vorhandensein der kleinen Induktivität 23 ist die Anfangsbelastung jedes der Transistoren 1 und 2 im Augenblick, in dem der Transistor leitend wird, induktiv. Der Kollektorstrom nimmt somit weniger schnell zu. Über der kleinen Induktivität 23 entsteht beim Leitendwerden jedes Transistors ein positiver Spannungsimpuls. Dieser Impuls wirkt der negativen Rückkopplungsspannung zweifach entgegen, da nämlich auch die Transformatorspannung anfangs herabgesetzt wird. Der Vorwärtsbasisstronimpuls, der den Transistor leitend macht, ist somit weniger scharf. Seine Rückflanke und auch seine Vorderflanke sind durchschnittlich weniger steil, so dass der Impuls eine längere Dauer hat : der Vorwärtsbasisstrom- impuls wird gedehnt.
Der Schwingungskreis bestehend aus der Induktivität, die zwischen den Kollektorelektroden der Tran- sistoren 1 und 2 wirksam ist, und aus dem über den Transformator 7 zwischen diesen Elektroden wirksamen Kondensator 13, ist durch die kleine Induktivität 23. von der Quelle der Gleichspannung 9 einigermassen entkoppelt. Während des leitenden Zustandes jedes der Transistoren 1 und 2 wird infolgedessen die Spannung am Kondensator des Sekundärkreises etwas höher. Mit andern Worten, die Energie des Schwingungskreises kann durch die kleine Induktivität 23 etwas gesteigert werden.
Diese Wirkung kann in grösserem Masse nutzbar gemacht werden, indem für die kleine Induktivität 23 ein grösserer Wert gewählt wird und ausserdem eine davon abgenommene induktive oder teilweise induktive (kombinierte)
<Desc/Clms Page number 3>
Rückkopplung benützt wird.
Die zweite in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten im wesentlichen darin, dass eine kleine Induktivität 23 bzw. 23'in den Kollektor-Emitterkreis jedes der Transistoren 1 und 2 eingefügt ist, u. zw. zwischen dem Kollektor jedes Transistors und dem entsprechenden Ende der Wicklung 8. Mit jeder der kleinen Induktivitäten 23 und 23'ist eine Hilfswicklung 24 bzw. 24'gekop- pelt, wodurch der über der kleinen Induktivität 23 oder 23'beim erneuten Sperren des entsprechenden Transistors erzeugte Spannungsimpuls in der Rückwärtsrichtung und über einen Gleichrichter 25 bzw. 25' der Basiselektrode dieses Transistors zurückgeführt wird.
Dieser zurückgeführte Rtickwärtsspannungsim- puls beschleunigt das Abschalten jedes der Transistoren 1 und 2, während der Gleichrichter 25 bzw. 25' das Zurückführen negativer Spannungsimpulse von der kleinen Induktivität 23 oder 23'nach der Basis des entsprechenden Transistors verhütet. Jeder der Transistoren wird somit sehr schnell abgeschaltet und die Rückkopplungsspannung kann gegebenenfalls wieder niedriger gewählt werden, auch infolge der Wirkung der kleinen Induktivitäten 23 und 23', so dass der Wirkungsgrad zunimmt. Die Zunahme des Wirkungsgrades bei der Schaltung nach Fig. 2 gegenüber dem Wirkungsgrad der Schaltung nach Fig. 1 jedoch ohne die kleine Induktivität 23 ist mindestens von der Grössenordnung von 5 0/0.
Es sei noch bemerkt, dass der Rückkopplungskreis der Anordnung nach Fig. 2 etwas abweicht von dem der Anordnung nach Fig. 1, da die Transistoren lediglich durch die Wicklungen 14 und 15 rückgekoppelt sind. Die Kondensatoren 5 und 6 sind somit zwischen den gemeinsamen Punkten der Widerstände 3 und 16 bzw. 4 und 17 und den freien Enden der Wicklungen 14 bzw. 15 eingeschaltet, statt direkt zwischen der Basis eines Transistors und dem Kollektor des andern Transistors.
Der Widerstand 3 ist parallel mit der Reihenschaltung des Kondensators 5 und der Wicklung 14 geschaltet, statt in Reihe mit der Wicklung 14, und der Widerstand 4 ist auf entsprechende Weise direkt zwischen der Basis des Transistors 2 und dessen Emitter geschaltet.
Die dritte Ausführungsform nach Fig. 3 hat nur eine kleine Induktivität 23, die zwischen den Emitterelektroden beider Transistoren 1 und 2 und der Plusklemme der Speisequelle 9 eingeschaltet ist. Zwei Hilfswicklungen 24 und 24'sind mit dieser kleinen Induktivität gekoppelt und in Reihe in den Basiskreis des entsprechenden Transistors 1 bzw. 2 eingefügt. Ein weiterer Unterschied gegenüber der Schaltung nach Fig. 2 ist. dass die Widerstände 3 und 4 direkt mit den entsprechenden Kondensatoren 5 bzw. 6 parallelgeschaltet sind, während die Hilfswicklungen 24 und 24'je zwischen der Basiselektrode des entsprechenden Transistors 1 bzw. 2 und der Parallelschaltung des Widerstandes 3 bzw. 4 und des Kondensators 5 bzw. 6 geschaltet sind.
Infolge dieser Weise des Zurückführen der Spannungsspitzen über die kleine Induktivität 23 durch Hilfswicklungen, die in den Rückkopplungskreisen der Transistoren 1 und 2 in Reihe geschaltet sind, sind die Gleichrichter 25 und 25'der Schaltung nach Fig. 2 nicht mehr nötig. Wie in der Ausführungsform nach den Fig. l und 2 können die Wicklungen 14 und 15 durch die zwei Hälften einer einzigen Wicklung mit Mittelanzapfung gebildet sein.
Wie bereits bemerkt, erhält man durch Parallelschalten der Rückkopplungskondensatoren 5 und 6 mit ihren entsprechendenEntladungswiderständen 3 und 4 die geringsten Rückkopplungsverluste. Bei der Schaltung nach Fig. 3 wird diese Parallelschaltung wieder dadurch vorteilhaft gemacht, dass die über die HilfsWicklungen 24 und 24'nach den Basiselektroden der Transistoren 1 bzw. 2 zurückgeführten, sperrenden Impulse die Transistorabschaltung stark beschleunigen, so dass die ungünstige Wirkung der schnellen Entladung des Kondensators 5 bzw. 6 über den parallel gelegten Widerstand 3 bzw. 4 in bezug auf die gewünschte, rasche Abschaltung des Transistors 1 bzw. 2 wieder ausgeglichen wird.
Wenn jeder der Transistoren 1 und 2 wieder nichtleitend wird, wird der durch die Hilfswicklung 24 bzw. 24' zurückgeführte, sperrende Spannungsimpuls praktisch nicht gedämpft, da die Basis-Emitterstrecke des Transistors bald gesperrt wird. Umgekehrtwenn einer der Transistoren 1 und 2 leitend wird. wird der über der kleinen Induktivität 23 erzeugte Vorwärtsspannungsimpuls durch die Reihenschaltung des Rückkopplungskreises mit
EMI3.1
welchergleichen Basis von der kleinen Induktivität 23 her durch die Hilfswicklung 24 oder 24'zugeführt wird, eine klei- ne Amplitude hat, flach und verhältnismässig lang ist, was gerade gewünscht ist.
In den geschilderten Ausführungsbeispielen enthält der Basis-Eotiterkreis j edes Transistors ein RC-Glied.
Das Anbringen einer kleinen Induktivität im Kollektor-Emitterkreis jedes Transistors einer selbstschwingenden Schaltung dereingangserwähnten Artkannjedochjedenfallsangewendetwerden. wennes erwünscht ist, die Anfangsbelastung jedes Transistors im Augenblick wenn er leitend wird induktiv zu machen, und wenn die durch diese kleine Induktivität herbeigeführte Dehnung des der Basiselektrode jedes Transistors zuge- führtenEinschaltimpulses nicht ungünstig ist für die Wirkung der selbstschwingenden Schaltung.