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Gegentaktumformerschaltung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gegentaktumformerschaltung oder Rechteckspannungsgenerator- schaltung mit Transistoren.
In den bekannten Gegentaktumformern mit Transistoren erfährt man die Schwierigkeit, die Zeit- punkte zu bestimmen, in denen die Umschaltungen von einem Transistor auf den andern erfolgen. In den üblichen Schaltungen, welche häufig einen gesättigten Kern verwenden, ist der leitende Transistor im gesättigten ("gebottomden") Zustand und seine Basis wird fortwährend ausgesteuert, bis sein Kollektor- strom den höchstverfügbaren Wert erreicht, d. h. der Kollektorstrom Ic erreicht den Wert Ic = fx'Ib (wor- in Ib den Basisstrom darstellt). Da der Kollektorstrom nicht weiter zunehmen kann, wird der Transistor aus seinem gesättigten ("gebottomden") Zustand gezogen und dies leitet die Umschaltung ein.
Unter dem gesättigten ("gebottomden") Zustand eines Transistors wird derjenige Zustand verstanden, in welchem, bei ausreichender Belastungsimpedanz und/oder Basisvorwärtssteuerung, praktisch die gesamte Emitter-
Kollektor-Speisespannung über der Belastung liegt (s. auch die brit. Patentschrift Nr. 806, 796).
Diese Verfahren haben eine Anzahl von bekannten Nachteilen. Der Hauptnachteil ist, dass bei Berücksichtigung der Streuungen in den Transistorcharakteristiken (z. B. < c') infolge des unvermeidlichen Mangels an Gleichmässigkeit in der Herstellung von Transistoren der mit den besten Transistoren höchst verfügbare Kollektorstrom mehrere Male grösser sein kann als der nützliche Kollektorstrorr, derder Belastung zugeführt wird. Dies bedeutet, dass es nur möglich ist, einen Bruchteil der verfügbaren Transistorleistung zu verwenden.
Der Zweck der Erfindung ist, einen verbesserten Umformer zu schaffen, durch welchen die obigen Nachteile verhütet werden können.
Bei einer Gegentaktumformerschaltung oder einer Rechteckspannungsgeneratorschaltung, enthaltend die Kombination eines Transistorenpaares, eines Transformators mit einem Kern, einem Paar Kollektorwicklungen, die in die Kollektorkreise genannter Transistoren geschaltet sind, und einer Rückkopplungswicklung auf genanntem Kern, wobei diese Rückkopplungswicklung mit den Basiselektroden beider Transistoren über eine Rückkopplungsschleife verbunden ist, in der die beiden Basiselektroden aufgenommen sind und welche zeitbestimmende Elemente enthält, bestehend aus der Reihenschaltung einer Kapazität und einer Induktivität, welche zur Steuerung der Arbeitszeitpunkte der Schaltung zwischen den Basiselektroden geschaltet sind, ist erfindungsgemäss die Schaltung derart ausgebildet,
dass genannter Kern des Transformators im Betrieb ungesättigt bleibt und dass die Emitter-Basisstrecke jedes Transistors durch eine in umgekehrter Leitungsrichtung geschaltete Diode überbrückt ist, so dass die Rückkopplungsschleife abwechselnd durch die eine und durch die andere dieser Dioden niederohmig geschlossen ist.
Bei einer solchen Schaltung erfolgt die Zeitpunktbestimmung in den Basiskreisen der Transistoren und es ist daher nicht erforderlich, Strom bei hohen Spitzenpegel durchzulassen, wenn die Belastung klein ist. Dieses Prinzip ist an sich bekannt, aber es wird in der vorliegenden Erfindung auf besonders wirkungsvolle und geeignete Weise angewendet.
Da eine Schaltung nach der Erfindung eine Rechteckspannung liefert, ist die Schaltung zur Verwendung als Teil eines Gleichstromumformers geeignet, in dem ein rechteckiges Ausgangssignal gleicherichtet wird, um Gleichstrom zu liefern.
Die zeitbestimmende Induktivität und Kapazität haben vorzugsweise einen solchen Wert, dass sie als
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ein abgestimmter Reihenkreis wirken. Diese Bemessung macht eine ganz genaue Regelung der Betriebs- frequenz möglich und ist besonders gut verwendbar bei Anwendungen, in denen die Betriebsfrequenz von
Bedeutung ist, z. B. wenn die Umformerschaltung einen Teil eines Gleichstromumformers bildet, der zum
Speisen von Geräten verwendet wird, die mit einer vorbestimmten Frequenz betrieben werden, derart, ! dass sie auf Störungen durch Frequenzen, die im Umformer erzeugt werden, empfindlich sind. Die Steue- rung der Umformerfrequenz wird durch den abgestimmten Kreis trotz Änderungen der zugeführten Span- nung und des Belastungswertes aufrechterhalten.
Die Erfindung wird jetzt an Hand der schematischen Zeichnung, die sich aúf p-n-p Schichttransisto- ren bezieht. näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt eine Schaltung, in der die zeitbestimmenden Elemente aus einer Induktivität L2 und einer Kapazität C2 bestehen, die einen abgestimmten Reihenkreis bilden.
Die Schaltung verwendet ein Transistorenpaar T1-T2 und einen Transformator mit Kollektorwicklun- gen l, 2, die mit einer Speisequelle-Vcc verbunden sind, und mit einer in einer Basisrückkopplungs- schleife aufgenommenen Rückkopplungswicklung 3. Ausserdem gibt es eine Transformatorausgangswick- lung 4 für das rechteckige Ausgangssignal, das gewünschtenfalls gleichgerichtet werden kann, um eine Gleichstromumformerwirkung zu erhalten.
Dioden D1 und D2 bilden den Rückweg für die Basisströme von T2 bzw. Tl, so dass immer ein Weg niedriger Impedanz zwischen Emitter und Basis vorhanden ist, sogar wenn ein Transistor gesperrt ist. Die
Umschaltung erfolgt, wenn der Kondensator genügend aufgeladen ist, um den Basisstrom auf Ic/K'her- abzusetzen. In diesem Moment kommt der Transistor aus seinem gesättigten ("gebottomden") Zustand und tritt eine regenerative Umschaltung auf.
Vorzugsweise werden die Dioden D1-D2 anstatt Widerstände verwendet, um dem abgestimmten Kreis einen höheren"Q"-Wert geben zu können. Die Rückkopplungswicklung des Transformators hat sehr wenig Ein- fluss auf die Frequenz, da sie als ein Spannungsgenerator betrachtet werden kann. In der Praxis wird natur- lich eine kleine Ableitinduktivität bestehen, aber bei einem richtig ausgebildeten Transformator sollte diese vernachlässigbar sein müssen, verglichen mit der Abstimminduktivität L2.
Die Wirkungsweise wird untenstehend näher erläutert.
Es wird angenommen, dass der Transistor 2 in den"gebottomden"Zustand übergeht. Unter diesen
Umständen wird im wesentlichen die ganze Speisegleichspannung Vcc plötzlich an die Kollektorwicklung
2 angelegt. Zugleich wird in der Wicklung 3 eine kleinere Spannung V3 induziert. Diese Rückkopplungs- spannung V3 wird über die Selbstinduktivität L2 und die Kapazität C2 an den Basis-Emitterteil des Tran- sistors T2 angelegt, mit einer solchen Polarität, dass ein vorwärtsgerichteiec Vorstrom im Transistor T2 entsteht (durch welchen der Transistor T2 noch stärker leitend wird), während eine kleine positive Span- nung an die Diode D1 angelegt wird, um einen rückwärtsgerichteten Vorstrom dem Transistor Tl zu lie- fern.
Auf diese Weise wird das Einschalten des Transistors T2 kumulativ verursacht, während der Transi- stor T1 gesperrt wird.
Wenn der Transistor T2 einmal seinen gesättigten ("gebottomden") Zustand erreicht hat, hat sein
Basisstrom Ib2 einen Anfangswert, der dann infolge der Anwesenheit der Kapazität C2 abnimmt. In einem bestimmten Punkt beginnt diese Abnahme den Transistor T2 aus seinem gesättigten ("gebottomden") Zu- stand zu ziehen. Infolgedessen nimmt die Spannung über der Wicklung 2 ab und folglich auch die Span- nung V3 über der Wicklung 3. Dies hat wieder zur Folge, dass der Basisstrom Ib2 des Transistors T2 schnel- ler herabgesetzt wird, und dies führt dazu, dass der Transistor T2 kumulativ gesperrt wird.
In diesem Punkt wird der Transistor T1 leitend, weil die Rückkopplungsspannung V3 nach Null abgenommen hat und auf diese Weise die Ladung, die sich vorher in der Kapazität C2 angehäuft hat, freigibt.
Die Kapazität beginnt sich zu entladen und liefert also einen zunehmenden vorwärtsgerichteten Vorstrom
Ibl für den Transistor Tl. (In diesem Stadium wird die Diode D1 gesperrt. während die Diode D2 leitend wird.). Dies macht es wieder möglich ; dass der Transistor Tl infolge einer kumulativen Wirkung eingeschaltet wird, wie oben in bezug auf den Transistor T2 beschrieben.
Ein Satz geeigneter Werte und Elemente, die in der Schaltung nach der Zeichnung verwendet wurden, wird jetzt beispielsweise angegeben.
Tabelle Transformatorkem : zwei"E"-förmige Ferritkerne (Mullardtyp FX1819) ohne Luftspalt zusammengefügt.
Kollektorwicklungen (1 und 2) : bifilarzusammengewickeltmit je 100 Windungen von 22 SWG-Draht.
Rückkopplungswicklung 3 : 10 Windungen von 33 SWG-Draht.
Transistoren : Hochfrequenz-Krafttransistoren Mullardtype OC23.
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Dioden : Mullardtyp OA10.
Kollektorspeisespannung-Vcc = 12 Volt.
Kondensator C2 = 211 F.
Induktivität L2 = 80 Windungen gewickelt auf einem Kern aus zwei"E"-fönnlgen Ferritkernen (Mullardtyp FX1238), zusammengefügt mit 0, 25 mm Spalten zwischen den Paaren entsprechender Schenkel.
Bei Abwesenheit von Hilfsstartmitteln sind die Schaltungen nach der Zeichnung (wie die meisten Umformerschaltungen) nicht für Selbstanlauf unter Belastung geeignet, da keine vorwärtsgerichtete Vorspannung vorhanden ist, bevor die Schwingungen angefangen haben. Diesem Umstand kann leicht abgeholfen werden durch Einschaltung eines Widerstandes zwischen jeder Basis und der Kollektorzuführungsleitung, um ein gewisses Mass von abhängigem vorwärtsgerichtetem Vorstrom zu liefern. Bei Annahme, dass die Werte der Tabelle verwendet werden, kann jeder der genannten Widerstände einen Wert von 4, 7 k Q haben.
PATENTANSPRÜCHE : l. Gegentaktumformerschaltung oder Rechteckspannungsgeneratorschaltung, enthaltend die Kombination eines Transistorenpaares, eines Transformators mit einem Kern, einem Paar Kollektorwicklungen, die in die Kollektorkreise genannter Transistoren geschaltet sind, und einer Rückkopplungswicklung auf genanntem Kern, wobei diese Rückkopplungswicklung mit den Basiselektroden beider Transistoren über eine Rückkopplungsschleife verbunden ist, in der die beiden Basiselektroden aufgenommen sind und welche zeitbestimmende Elemente enthält, bestehend aus der Reihenschaltung einer Kapazität und einer Induktivität, welche zur Steuerung der Arbeitszeitpunkte der Schaltung zwischen den Basiselektroden geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung derart ausgebildet ist,
dass der Kern des Transformators im Betrieb ungesättigt bleibt, und dass die Emitter-Basisstrecke jedes Transistors durch eine in umgekehrter Leitungsrichtung geschaltete Diode überbrückt ist, so dass die Rückkopplungsschleife abwechselnd durch die eine und durch die andere dieser Dioden niederohmig geschlossen ist.