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Transistor-Impulsgenerator Die Erfindung betrifft einen Impulsgenerator mit wenigstens einem Transistor und einer im KollektorEmitterstromkreis dieses Transistors eingeschalteten ersten Wicklung, mittels der der Basiselektrode des Transistors eine Rückkopplungsspannung zugeführt wird.
Solche Impulsgeneratoren, auch Sperroszillatoren genannt, sind z. B. nach den älteren österr. Patentschriften Nr. 185405 und 194910 vorgeschlagen worden. Sie finden oft als Umwandler Anwendung, wobei meist auf einen maximalen Wirkungsgrad Wert gelegt wird. Infolge der Tatsache, dass der Spannungsabfall zwischen der Emitterelektrode und der Kollektorelektrode eines bis in den Sättigungsbereich gesteuerten Transistors sehr klein ist, wurden auch schon Transistorumwandler oder-umformer mit einem sehr hohen Wirkungsgrad hergestellt.
Die Betriebsfrequenz wird im wesentlichen durch die im Kollektorkreis wirksame Induktanz, durch den Eigenwiderstand und auch durch den Sättigungswert (bottoming) des Kollektorstromes bedingt. Zum Erzeugen von Impulsen mit grosser Amplitude muss dafür Sorge getragen werden, dass der Kollektorstrom nach dem Erreichen eines Hochwertes sehr plötzlich unterbrochen wird. Dies erreicht man oft durch magnetische Sättigung eines mit der Kollektorwicklung gekoppelten Kernes aus ferromagnetischem Material.
Beim Erreichen dieser magnetischen Sättigung nimmt der Kollektorstrom plötzlich viel steiler zu und erreicht schnell seinen Sättigungswert. Darauf beginnt sofort wieder eine Abnahme des Kollektorstromes infolge des Umstandes, dass der Basisstrom nicht weiter zunimmt, und sobald der Kern aus der Sättigung kommt, wird der Basiselektrode des Transistors ein verhältnismässig starker und scharfer Gegenstromimpuls zugeführt, wodurch der Transistor plötzlich gesperrt wird.
Die Kollektorwicklung und der obenerwähnte Kern bilden normalerweise, gegebenenfalls in Kombination mit einer andern Wicklung, einen Ausgangstransformator, durch den die erzeugten Impulse einer Belastung zugeführt werden. Die in diesem Transformator auftretenden Verluste werden naturgemäss durch den Umstand erhöht, dass dessen Kern bis in den Sättigungsbereich betrieben wird und daher mit einer verhältnismässig grossen Hystereseschleife arbeitet. Dieser Transformator ist ausserdem wegen der an seinen Kern gestellten Anforderungen verhältnismässig kostspielig.
Aus der USA-Patentschrift Nr. 2, 748,274 ist es bekannt, bei einem Gegentaktgenerator mit zwei Transistoren die Rückkopplung mit Hilfe eines zweiten Transformators herbeizuführen, dessen Primärwicklung in Reihe mit der Belastung an die Sekundärwicklung des Eingangstransformators angeschlossen ist, während seine Sekundärwicklung mit den Steuerelektroden der Transistoren verbunden ist (Stromrückkopplung). Nach der USA -Patentschrift NI. 2,774, 878 wird gleichfalls ein getrennter Rückkopplungstransformator verwendet, wobei zwecks Herabsetzung der Transformatorverluste nicht der Ausgangstransformator, sondern der Rückkopplungstransformator bis in den Sättigungsbereich betrieben wird.
Bei Transistor-Umwandlern oder andern Transistor-Impulsgeneratoren wird die verfügbare Ausgangsleistung meist durch die zulässige Verlustleistung des verwendeten Transistors oder der verwendeten Transistoren beschränkt. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades von z. B. 80% auf 85% durch Herabsetzung der Transistorvorlustevon z. B. 16% auf 11% könnte dementsprechend bewirken, dass die verfügbare Ausgangsleistung von z. B. 100 W auf 100---= 145 W erhöht werden könnte. Insbesondere mit Transistoren mit einer höheren Verlustleistung wird die verfügbare Ausgangsleistung aber auch bald durch die höchstzulässigen Spitzenströme, z. B. durch den höchstzulässigen Wert des Kollektorspitzenstromes beschränkt. Die erzeug-
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Anders gesagt, durch geeignete Verwendung eines Kernes mit rechteckiger Hystereseschleife wird eine Gegenwirkung oder Gegenkopplung am Ende jedes Stromimpulses eingeleitet, anstatt Sättigung eines
Kernes aus ferromagnetischem Material, wie es bisher der Fall war, zum Beendigen der Rückwirkung oder
Rückkopplung zu verwenden.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
In Fig. l ist das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels dargestellt.
In Fig. 2 ist ein mit einem bekannten Impulsgenerator mit zwei Transistoren erzieltes Strom-Zeit-
Diagramm dargestellt.
Die Fig. 3 und 4 zeigen das Schaltbild einer Abart bzw. eines zweiten Ausführungsbeispiels ; die Fig. 5 und 6 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel bzw. eine Abart desselben.
DasAusführungsbeispiel nach Fig. l besitzt zwei Transistoren 1 und 2, vorzugsweise Flächentransistoren, z. B. Leistungs-Transistoren. Diese Transistoren liegen in einer Gegentakt-Generatorschaltung, da ihre eine erste Wicklung 3 enthaltenden Kollektor-Emitterstromkreisc und ihre Rückkopplungswicklungen 4 und 4'enthaltenden Basis-Emitter-Steuerkreise über Kreuz miteinander gekoppelt sind. Die Wicklungen 3, 4 und 4'sind auf einem gemeinsamen Kern 5 aus ferromagnetischem Material angebracht und mit einer Sekundärwicklung 6 gekoppelt, der die erzeugten Impulse entnommen werden können.
Die Wicklung 3 besitzt eine Mittelanzapfung, an welche die negative Klemme einer Speisequelle 7 angeschlossen ist, die Wicklungen4und 4'sowie die Emitterelektroden der Transistoren 1 und 2 sind mit der positiven Klemme dieser Quelle verbunden. Der Kollektor-Emitterstromkreis jedes Transistors enthält noch eine zweite Wicklung 8 bzw. 9. Diese Wicklungen sind gegensinnig auf einem Kern aus ferromagnetischem Material mitrechteckiger Hystereseschleife angebracht. Diese Wicklungen bestehen z. B. aus je einem durch einen Ferritringkerfi 10 hindurchgezogenen Leiter.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel könnte auch ohne die Wicklungen 8 und 9 und ohne den Kern 10 als"SperrosziIIato :" arbeiten. In diesem Falle würden sich die Kollektorströme der beiden Tran- sistoren-l und 2 annähernd auf die in Fig. 2 dargestellte Weise ändern. In dem Augenblick, in dem der stets zunehmende Strom durch eine der beiden Hälften der Wicklung 3 den Kern 5 des Rückkopplungs- und Ausgangstransformators sättigt, nimmt die Impedanz dieser Wicklung beträchtlich ab, so dass der Kollektorstrom des dann stromleitenden Transistors plötzlich noch wesentlich zunimmt.
Diese starken und scharfen Spitzen der Ströme 11 und 12 durch den Kollektor-Emitterstromkreis eines jeden der Transistoren 1 und 2 beschränken die Leistung, die man in Form von annähernd rechteckigen Impulsen der Ausgangswicklung 6 entnehmen kann. Der Spitzenwert dieser Ströme darf tatsächlich keinesfalls den höchstzulässigen Wert des Kollektorstromes der verwendeten Transistoren überschreiten.
Bei dieser Schaltung, also ohne die Wicklungen 8 und 9 auf dem Kern 10, wird die Arbeitsfrequenz durch die im Kollektorkreis jedes Transistors wirksame Induktanz und durch den zum Sättigen des Kernes 5 erforderlichen Strom durch die Wicklung 3 bedingt. Sobald dieser Sättigungswert erreicht ist, nimmt die
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Spannung an der mit der Kollektorelektrode des dann stromleitenden Transistors verbundenen Hälfte der Wicklung 3 beträchtlich ab, so dass die an der Wicklung 4 oder 4'erzeugte Rückkopplungsspannung wesentlich abnimmt und der Transistor gesperrt wird. Es ist einleuchtend, dass bei Abwesenheit der hohen scharfen Spitzen nach Fig. 2 mit denselben Transistoren eine viel grössere Leistung erzielt werden könnte.
Dies wird nach der Erfindung mittels der zweiten Wicklungen 8 und 9 auf dem Kern 10 erreicht. Der Kern 5 des Ausgangstransformators wird dann derart bemessen, dass er während eines ganzen Arbeitszyklus nicht gesättigt wird. Gegebenenfalls und bei verhältnismässig hohen Betriebsfrequenzen kann der Ausgangstransformator mit den Wicklungen 3, 4, 4' und 6 ohne den Kern 5 ausgebildet werden. Der Kern 10 wird dagegen vom Strom durch eine der Wicklungen 8 und 9 in einen Sättigungszustand übergeführt. Beim Erreichen des höchstzulässigen Wertes des Kollektorstromes z.
B. des Transistors 1 wird er von einem ersten Sättigungszustaadinden entgegengesetzten Sättigungszustand übergeführt. Beim Umschlag vom einen Sättigungszustand in den entgegengesetzten Zustand wird vom Kern 10 in der Wicklung 8 oder 9 ein Span- nungsimpuls erzeugt, der der Rückkopplung über die Wicklung 4 oder 4'entgegenwirkt und das erneute Sperren des Transistors 1 oder 2 einleitet. Dabei wirkt naturgemäss derselbe Impuls in der andern Wicklung 9 oder 8 mit der Rückkopplung über die Wicklung 4'oder 4 zusammen, so dass der andere Transistor 2 oder 1 schnell stromleitend wird.
Die Abart nach Fig. 3 besitzt wieder einen einzigen Kern 10, durch den die Enden der beiden Hälften der Wicklung 3, welche diese Hälften mit der negativen Klemme der Speisequelle 7 verbinden, gegensinnig hindurchgezogen sind. Die Wirkungsweise dieser Abart ist genau gleich derjenigen der Ausführungform nach Fig. l.
Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Schaltung nach der Erfindung. In dieser Figur sind entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet. Ein erster Unterschied gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht darin, dass die kreuzweise erfolgende Kopplung der beiden
Transistoren 1 und 2 nicht mittels Rückkopplungswicklungen, sondern mittels Kondensatoren 11 und 12 herbeigeführt wird. Weiterhin sind die Basiselektroden der beiden Transistoren 1 und 2 schwach in der Vor- wärtsrichtung polarisiert, da sie über Widerstände 13 und 14 an die Mittelanzapfung eines Spannungstei- lers angeschlossen sind. Dieser Spannungsteiler besteht aus zwei Widerständen 15 und 16, die in Reihe miteinander an die Spannungsquelle 7 angeschaltet sind.
Diese Unterschiede sind nicht wesentlich und werden nur erwähnt, um deutlicher zumachen, dass die Massnahme nach der Erfindung praktisch bei allen
Arten von Transistor-Sperrosz11latoren Anwendung finden kann.
Der Kollektt-Emitterstromkreis eines jeden der Transistoren 1 und 2 nach Fig. 4 enthält wieder eine zweite Wicklung 8 bzw. 9. Diese Wicklungen bestehen aus den Kollektorverbindungen, die durch Ringkerne 10 und 10'hindurchgezogen sind. Ein jeder der Kerne 10 und 10'ist noch mit einer Rückstellwicklung versehen, so dass er mit dem andern Kern 10'bzw. 10 gekoppelt ist. Diese Rücksiellwicklungen bestehen einfach aus einer durch die beiden Kerne 10 und 10'hindurchgezogenen Drahtschleife 17.
Falls der Transistor-1 stromleitend ist, wird der Kern 10 durch den Kollektorstrom von einem ersten Sättigungszustand plötzlich in den entgegengesetzten Sättigungszustand übergeführt. Durch das Umschlagen des Kernes 10 wird der Kollektorelektrode des Transistors 1 ein positiver Spannungsimpuls zugeführt, der diesen Transistor sperrt. Gleichzeitig wird über die Rückstellwicklungen 17 auch der Kern 10'in seinen erstenSÅattigungszustand zurückgeführt. Das Umschlagen des Kernes 10'erhöht die Gegenspannung an der Kollektorelektrode des Transistors 2, so dass dieser gleichzeitig sehr schnell in seinen stark leitenden Zustand gebracht wird.
Sobald der Strom durch die andere Hälfte der Wicklung 3 den höchstzulässigen Wert des Kollektorstromes des Transistors 2 erreicht, wird der Kern 10'durch diesen Strom wieder in seinen entgegengesetzten Sättigungszustand übergeführt. Das Umschlagen des Kernes 10'bewirkt auch das Umschlagen des Kernes 10, der wieder in seinen ersten Sättigungszustand kommt, der Transistor 1 wird daher wieder stromleitend und der Transistor 2 wieder gesperrt, und der Arbeitszyklus wiederholt sich.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 besitzt nur einen Transistor l, dessen Kollektor-Emitterstromkreis über die Primärwicklung 3 des Ausgangstransformators und eine auf einem Ringkern 10 angebrachte zweite Wicklung 8 geschlossen ist. Die Kollektorelektrode des Transistors ist über die Wicklung 3 an die negative Klemme der Speisequelle 7 und seine Emitterelektrode ist über die Wicklung 8 an die positive Klemme dieser Quelle angeschlossen. Letztere Wicklung besteht aus einer durch den Kern 10 hindurchgezoge- nen Drahtverbindung. Der Ausgangstransformator besitzt noch eine Rückkopplungswicklung 4, die zwischen der negativen Klemme der Quelle 7 und einem von einem Widerstand 16 überbrückten Rilckkopplungskon- densator 11 angeschlossen ist.
Die andere Klemme des Kondensators 11 und des Widerstandes 16 ist mit der Basiselektrode des Transistors 1 verbunden, die auch über einen Widerstand 15 an die positive Klemme der Quelle 7 angeschlossen ist. Der Kern 10 trägt eine über die Quelle 7 geschaltete R1lckstellwicklung 17,
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so dass sich dieser Kern bei gesperrtem Transistor 1 in einem ersten Sättigungszustand befindet. Bei Zunahme des Kollektorstromes und demnach auch des Emitterstromes des Transistors 1 wirkt dieser Strom dem die Wicklung 17 durchfliessenden. Strom entgegen und führt schliesslich den Kern 10 in den entgegengesetzten Sättigungszustand über.
Mit einer Wicklung 8 von nur einer Windung und einer Wicklung 17 von n-Windungen, die von einem Rückstellstrom i durchflossen wird, geschieht dies sobald der Emitterstrom des Transistors 1 den Wert 2 n x i erreicht. Beim Umschlagen des Kernes 10 wird der Transistor 1 plötzlich gesperrt. so dass der Kern 10 unter dem Einfluss des Stromes durch die Wicklung 17 wieder in seinen ersten Sättigungszustand übergeführt wird. Die Zunahme des Kollektorstromes des Transistors 1 fängt dann wieder an, bis der Kern 10 wieder in seinen entgegengesetzten Sättigungszustand umschlägt usw.
Wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist der Transistor 1 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 mittels eines aus den Widerständen 15 und 16 bestehenden Spannungsteilers in der Vorwärtsrichtung vorgespannt. was das Starten der Schwingungen beim Einschalten des Oszillators erleichtert.
Nach der Abart von Fig. 6 ist die Wicklung 17, die auf dem Kern 10 angebracht ist und einen klei- nen, praktisch meist vernachlässigbaren Strom aufnimmt. durch einen Dauermagnet ersetzt. Wie dargestellt, ist der Kern 10"dieser Abart unterbrochen, so dass er einen kleinen Spalt aufweist, in dem ein kleiner Dauermagnet 17'mit Süd- und Nord-Polen Z und N angebracht ist. Dies bietet den Vorteil, dass die Amplitude der Kollektorstromimpulse nicht, wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5, vom Strom durch die Wicklung 17 und demnach von der Spannung der Speisequelle 7 abhängig ist.
Bei dieser Abart ist weiterhin eine Stromrückkopplung angewendet mittels eines Rückkopplungstransformators mit einer Primärwicklung 18. die in Reihe mit der Belastung 19 an die Sekundärwicklung 6 des Ausgangstransformators angeschlossen ist, weiterhin mit einem Kern 20 und einer im Basiskreis eingeschalteten Sekundärwicklung 21.
Nach einer weiteren, nicht dargestellten Abart kann man naturgemäss auch die zweite Wicklung, wie die Wicklungen 8 und 9 der Fig. l, 3 oder 4, und die Wicklung 8 der Fig. 5 oder 6 im Basiskreis der Tran-
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des Transistors anschliessen. Dies bietet den Vorteil, dass der Basisstiom mittels viel kleinerer Im-sterese verlorengeht. Abgesehen davon, dassdie Verlustein diesen Kernen oder in diesem Kern sowieso sehr klein sind, hat die Begrenzung des Kollektorstromes durch Begrenzung des Basisstromes jedoch den Nachteil. dass sich der Spitzenwert des Kollektorstromes mit dem Kollektor-Basis-Stromverstärkungsfaktor a' der Transistoren oder des Transistors ändert und somit gegebenenfalls stark temperaturabhängig ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Impulsgenerator mit wenigstens einem Transistor (1, 2 bzw. l) und einer im Kollektor-Emitterstromkreis dieses Transistors eingeschalteten ersten Wicklung (3), mittels der der Basiselektrode des Transistors eine Rückkopplungsspannug zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromkreis des Transistors eine zweite, auf einem Kern (10 bzw. 10") aus ferromagnetischem Material mit rechteckiger Hystereseschleife angebrachte Wickllmg (8, 9 bzw.
8) enthält, wobei das Kernmaterial beim Überschreiten eines Grenzwertes des Transistorstromes plötzlich von einem ersten in den entgegengesetzten Sättigungzustand übergeführt wird, so dass die Geschwindigkeit der Zunahme des Stromes im Kollektor-Emitterstromkreis des Transistors im wesentlichen durch die Induktanz der ersten Wicklung (3) bedingt wird, wäh- rendder Spitzenwert dieses Stromes dadurch beschränkt wird, dass der Kern (10) der zweiten Wicklung bei diesem Wert umschlägt und einen der Rückkopplung entgegenwirkenden Spannungsimpuls erzeugt, der das erneute Sperren des Transistors (1 oder 2 bzw. 1) einleitet.