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Anordnung zur Erzeugung hochfrequenter elektrischer
Sinuswellen - Schwingungen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung hochfrequenter elektrischer Sinuswellen-Schwin- gungen mit Hilfe eines frequenzbestimmenden Sekundärkreises, der durcheinen Übertrager mit einem Pri- märkreis gekoppelt ist, in dem sich eine Gleichstrom oder niederfrequenten Wechselstrom liefernde Ener- giequelle befindet, wobei die Energiequelle durch ein vom Sekundärkreis geliefertes Rückkopplungssignal periodisch vom Übertrager ab-bzw. in ihrer Polarität umgeschaltet wird.
Bei Schwingungserzeugern dieser Art werden als periodisch arbeitende Schalter je nach der gewünsch- ten Frequenz elektromagnetische Relais, rotierende Kontakte, gasgefüllte Trioden, Vakuumröhren oder andereelektronischeoder Halbleitereinrichtungen verwendet, um den Stromfluss im Primärkreis zu öffnen und zu schliessen, wobei dieser Strom über einen Übertrager auf einen Verbraucherstromkreis wirkt und darin eine Sekundärspannung von mehr oder weniger sinusförmigem Verlauf erzeugt. Bei diesen bekannten An- ordnungen ist der Oberwellengehalt der Schwingungen hoch, die Frequenzstabilität gering und der Wir- kungsgrad niedrig.
Ein allgemeines Ziel der. Erfindung besteht deshalb in der Schaffung einer verbesserten Anordnung zur Erzeugung hochfrequenter Sinuswellen-Schwingungen, bei der die geschilderten Nachteile vermieden sind.
Eine gemäss der Erfindung ausgebildete, zur Erzeugung hochfrequenter elektrischer SinuswellenSchwingungen dienende Schaltungsanordnung der einleitend angegebenen Art ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreis einen auf die gewünschte Ausgangsfrequenz abgestimmten Serienresonanzkreis und in Reihe damit einen wenistens angenähert auf die gleiche Frequenz abgestimmten Pa- rallelresonanzkreis aufweist, wobei das Rückkopplungssignal von einem Zweig des Parallelresonanzkreises abgenommen und einem im Primärkreis zwischen der Energiequelle und dem Übertrager angeordneten elektronischen Schaltelement zugeführt wird.
Es wurde gefunden, dass die Aneinanderreihung eines SerienresonanzkreisesundeinesParallelresonanzkreises die Einstellung der für optimalen Wirkungsgrad erforderlichen Phasenbeziehung zwischen Rück- kopplungssignal und Umschaltvorgang sichert, wenn das Rückkopplungssignal vom Parallelresonanzkreis abgeleitet wird. Dabei besorgt der Serienresonanzkreis im wesentlichen die Auswahl der gewünschten Frequenz, während der Parallelresonanzkreis die Phasenrichtigkeit des Steuersignals verbürgt, das zu bestimmten Zeitpunkten an das elektronische Schaltelement angelegt wird. An Stelle einfacher Serien- und Parallelresonanzkreise können natürlich im Rahmen der Erfindung äquivalente zusammengesetzte Filterkreise Anwendung finden.
. Es ist verständlich, dass der Verbraucher, der entweder direkt über den Parallelresonanzkreis oder übereinen damit gekoppelten Übertrager gespeist wird, eine Rückwirkung hervorrufen kann, die bei Vorhandensein einer Blindkomponente in der Verbraucherimpedanz die Resonanzfrequenz verschiebt. Die beiden Resonanzstromkreise können aber in solcher Weise etwas gegeneinander verstimmt werden, dass diese Blindkomponente der Verbraucherimpedanz kompensiert wird und die richtige Phasenbeziehung der Rückkopplung sichergestellt wird. Zu diesem Zweck enthält jeder der beiden Resonanzkreise oder mindestens einer davon wenigstens ein verstellbares Blindwiderstandselement. Überdies können Rückwirkun-
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gen des Verbrauchers durch hohe Entkopplungsimpcdanzen vermindert werden.
Das elektronische Schaltelement kann auch durch eine Gegentaktstufe gebildet werden. Ausser Va- kuumröhren können hiefür insbesondere Transistoren verwendet werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können mit der angegebenen Schaltungsanordnung unter Anwendung einer entsprechenden Anzahl miteinander gekoppelter Primär- und Sekundärkreise auch Mehrphasenströme erzeugt werden.
Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Ausführungsbeispielen genauer erläu- tert werden. Die Fig. 1 - 6 erläutern verschiedene erfindungsgemässe Schaltungsanordnungen, die sich zur Erzeugung von Einphasenströmen eignen, wogegen sich die Fig. 7 und 8 auf Ausführungsbeispiele beziehen, die es ermöglichen, hochfrequente Mehrphasenströme zu erzeugen.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 enthält eine als Schalter dienende Vakuumröhre 1, die von einer Gleichstromquelle 2 über die Primärwicklung 4 eines Übertragers 3 mit Anodenspannung versorgt wird. Die Röhre 1 ist mittels eines in ihrer Kathodenleitung liegenden RC-Gliedes 6,7 stark vorgespannt. Im Gitterkreis der Röhre befindet sich die Sekundärwicklung 10 eines Eingangsübertragers 8, dessen Primärwicklung 9 zusammen mit einem parallelgeschalteten Kondensator 11 einen Parallelresonanzkreis bildet.
Die eine Klemme der Sekundärwicklung 5 des Übertragers 3 ist mit einem Serienresonanzkreis verbunden, der einen Kondensator 12 und eine Induktivität 13 enthält. Über diesen Serienresonanzkreis 12, 13 und den Verbraucher 14 ist der Nutzstromkreis zur zweiten Klemme der Sekundärwicklung 5 geschlossen, Parallel zum Verbraucher 14 liegt ein Rückkopplungsweg, der einen hohen Widerstand 15 und einen veränderbaren Blindwiderstand 16 (als Induktivität gezeichnet) enthält und zum Parallelresonanzkreis 9,11 führt.
Durch die über den Eingangsüberträger 8 in den Gitterkreis der Röhre 1 eingekoppelte Rückkopplungspannung wird die vorgespannte Röhre periodisch geöffnet und gesperrt, wodurch die Energiequelle 2 periodisch an den Übertrager 3 angeschaltet wird. Im Sekundärkreis dieses Übertragers wird über den auf die
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UmschaltungmitSinuswellen-Schwingungengespeist. Über den auf die gleiche Frequenz abgestimmten und die richtige Phasenbeziehung sichernden Parallelresonanzkreis 9, 11 wird die Schaltröhre 1 gesteuert. Der Widerstand 15 und die Induktivität 16 sollen im wesentlichen eine störende Rückwirkung des Verbrauchers 14 auf den Parallelresonanzkreis 9,11 aufheben. Zur genauen Einstellung der richtigen Phasenbeziehung ist in Fig. 1 die Induktivität 13 im Serienresonanzkreis veränderbar.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind an Stelle der Schaltröhre nach Fig. 1 zwei im Gegentakt
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Schalttransistoren 1a, IbSerienresonanzkreis 12,13 mit dem Verbraucher 14 verbunden. Parallelzu diesem Verbraucher liegen ein Kondensator 11 und eine zwischen ihren Wicklungshälften 9a, 9b angezapfte Induktivität. welche im
Zusammenwirken mit dem Kondensator 11 einen Parallelresonanzkreis bildet. Die beiden Aussenklemmen dieses Parallelresonanzkreises sind über Koppelkondensatoren 17a, 17b an die Emitterelektroden der Schalttransistoren la, Ib angeschlossen, während die Mittelanzapfung der Induktivität 9a, 9b über ein vorspannendes RC-Glied 6,7 mit den Basiselektroden dieser Transistoren verbunden ist.
Die Arbeitsweise dieser Schaltungsanordnung entspricht derjenigen nach Fig. l, nurdasshiebeidie beiden Schalttransistoren la, Ib, wie schon erwähnt, im Gegentakt arbeiten. Die günstigste Phasenbeziehung kann in diesem Falle mit dem veränderbaren Kondensator 12 eingestellt werden.
Bei der ebenfalls mit Transistoren la, Ib bestückten Schaltungsanordnung nach Fig. 3, die im übrigen ähnlichen prinzipiellen Aufbau wie jene nach Fig. 2 hat, wird das Rückkopplungssignal vom Parallelresonanzkreis 9,11 zwecks Verbesserung des Verlaufes der Umschaltspannung einem sättigbaren Übertrager 8'zugeführt und von den symmetrisch ausgeführten Sekundärwicklungshälften 10a, lOb desselben über Widerstände 18a, 18b an die Basiselektroden der Schalttransistoren angelegt, deren Emitterelektroden geerdet sind.
Fig. 4 zeigt eine weitere Variante des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2, bei dem die Emitterelektroden der Transistoren la, Ib geerdet und die Kollektorelektroden über die Wicklungshälften 4a, 4b der Primärwicklung des Übertragers 3 zur Vermeidung des Erfordernisses einer Batterie mit einer niederfrequenten Wechselstromquelle 2a (z. B. dem Wechselstromnetz) verbunden sind.
In den Basis-Emitter-Kreisen der Schalttransistoren la, 1b liegen Widerstände 18a, 18b, die beiden Wicklungshälften lOa, lOb eines Übertragers 8 und ein vorspannendes RC-Glied 6, 7. Der Verbraucher 14 ist über eine weitere Sekundär-
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wicklung 10'c des Übertragers 8 an den Sekundärkreis des Übertragers 3 angeschlossen, in dem sich der Serienresonanzkreis 12, 13 und in Serie dazu der Parallelresonanzkreis 9,11 befinden. Da der Serienresonanzkreis 12,13 für die Frequenz der Wechselstromquelle 2a undurchlässig ist, erscheint diese Frequenz nicht im Ausgang des Schwingungserzeugers.
In Fig. 5 ist eine Kombination einer regenerativen Rechteckwcllen-Rückkopplung vom Übertrager 3 mit einer Sinuswellen-Rückkopplung vom Übertrager 8 dargestellt. Hiebei sind die Basiselektroden der Schalttransistoren la, 1b über Widerstände 18a, 18b, Sekundärwicklungen lofa, lOb des Übertragers 8, zusätzliche Sekundärwicklungen 5A, 5B des Übertragers 3 und ein vorspannendes RC-Glied 6,7 mit den Emitterelektroden verbunden. Die Emitter-Kollcktor-Stromkreise der Transistoren la, 1b sind ähnlich wie in Fig. 3 aufgebaut und enthalten die Batterie 2 sowie die Primärwicklungen 4a und 4b des Übertragers 3.
Der Sekundärkreis des Übertragers 3 enthält, ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, einen
Serienresonanzkreis 12,13 und in Serie dazu einen Parallelresonanzkreis 11,9, wobei die Induktivität 9 die Primärwicklung des Übertragers 8 bildet und der Verbraucher 14 über eine Sekundärwicklung 10'c die- ses Übertragers gespeist wird.
Das in Fig. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung kann wahlweise als selbsterregter oder als fremdgesteuerter Schwingungserzeuger betrieben werden. Die Emitter-Kollektorkreise der beiden Schalt- transistoren la, 1b sowie der Sekundärkreis des Übertragers 3 und die Ankopplung des Verbrauchers 14 sind ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5. An die Basiselektroden der Transistoren la, 1b wird UberSekundärwicklungen 10a, lOb des Übertragers 8 und in Serie dazu liegende Sekundärwicklungen
5A, 5B des Übertragers 3 sowie über Widerstände 18a und 18b ein aus Rechteck- und Sinuswellen zusammengesetztes Rückkopplungssignal angelegt.
In den durch ein RC-Glied 6,7 vorgespannten Basis-EmitterKreisen dieser Transistoren liegen noch die Sekundärwicklungen 21a, 21b eines weiteren Übertragers 19, dessen Primärwicklung 20 mit Wechselspannung beaufschlagt werden kann.
Die Windungszahl der Sekundärwicklungen 10a, lOb des Übertragers ist veränderbar, so dass die gesamte Schaltungsanordnung bei starker Rückkopplung einen selbstschwingenden Oszillator und bei schwächerer Rückkopplung einen entdämpften Verstärker darstellt, der insbesondere bei Anlegen einer Wechselspannung an den Transformator 19 als fremdgesteuerter Sender wirkt.
In Fig. 7 ist ein zur Erzeugung eines Dreiphasen-Stromes geeignetes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Als elektronischer Schalter dienen hiebei drei Transistoren la, Ib, lc, die von einer gemeinsamen Batterie 12 über Primärwicklungen 4a, 4b bzw. 4c von drei Übertragern 3a, 3b bzw. 3c mit Kollektorspannung versorgt werden.
Die Basis-Emitter-Kreise dieser Transistoren enthalten Widerstände 18a, 18b bzw. 18c, die Sekundärwicklungen 24a, 24b bzw. 24c von drei weiteren Übertragern 22a, 22b bzw. 22c und in Serie dazu Sekundärwicklungen 5A, 5B bzw. 5C der Übertrager 3a, 3b bzw. 3c sowie Vorspannungsquellel 25a, 25bbzw. 25c, die im gezeigten Falle zusätzliche Batterien sind. Über die zusätzlichen Sekundärwicklungen 5A, 5B bzw. 5C wird vom Ausgang der Transistoren ein RechteckwellenSignal an den Eingang zurückgekoppelt.
Die Sekundärwicklungen 5a, 5b bzw. 5c der Übertrager 3a, 3b bzw. 3c enthalten, ähnlich wie bei der Schaltung nach Fig. 4, je einen Serienresonanzkreis 12a, 13a bzw. 12b, 13b bzw. 12c, 13c und in Serie dazu einen Parallelresonanzkreis 9a, lla bzw. 9b, Ilbbzw. 9c, llc. Die Induktivitäten 9a, 9b und 9c bilden die Primärwicklungen eines Übertragers 8, dessen im Dreieck geschaltete Sekundärwicklungen 10'a, 10'b, 10'c zum Verbraucher führen.
Vom Parallelresonanzkreis 9a, lla wird eine Spannung abgenommen und über einen Rückkopplungweg 26 an die Primärwicklung 27 eines Eingangsübertragers 28 angelegt. Die an der Sekundärwicklung 29 dieses Übertragers auftretende Spannung wird mit Hilfe eines ohmschen Widerstandes 30 in dem zur Primärwicklung 23ades Übertragers 22a führenden Stromkreis, eines Kondensators 31 und eines Widerstandes 31', in dem zur Primärwicklung 23b des Übertragers 22b führenden Stromkreis und einer Induktivität 32 und eines Widerstandes 32'in dem zur Primärwicklung 23c des Übertragers 22c führenden Stromkreises in der Phase so geteilt, dass drei um 1200 gegeneinander phaserverschohene Vorspannungen an den Primärwicklungen 23a - 23c wirksam sind.
Diese phasenverschobenen SinusweIlen-Rückkopplungsspannungen bilden mit den jeweils gleichphasigen Rechteckwellen-Rückkopplungsspannungen von den Sekundärwicklungen 5a-5c der Übertrager 3a-3c die Steuerspannungen für die Transistorschalter 1a - 1c.
Durch gestrichelte Einzeichnung des Rückkopplungsweges 26 ist angedeutet worden, dass auch diese Schaltungsanordnung selbsterregt betrieben werden kann oder aber fremdgesteuert durch Anlegen einer entsprechenden Wechselspannung an die Primärwicklung 27 des Übertragers 28. Bei selbsterregtem Betrieb empfiehlt es sich, die Batterien 25a - 25c durch RC-Glieder zu ersetzen.
In Fig. 8 ist schliesslich ein genaueres Schaltbild eines selbsterregten Dreiphasen-Generators gemäss
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der Erfindung dargestellt. Die Emitter-Kollektor-Kreise der drei Gegentakt-Transistorpaare la, l'a bzw. lb, l'b und lc, l'c liegen in Reihe mit der Batterie 2 und je einer Hälfte der Primärwicklungen 4a, 4b bzw. 4c des Übertragers 3 mit dreischenkeligem Eisenkern. Die Sekundärwicklungen 5a, 5b und 5c des Übertragers 3. sind im Stern geschaltet und mit je einem der Phasenleiter 33a, 33b und 33c des Dreiphasensystems verbunden, dem noch ein Nulleiter 33d zugeordnet ist.
Der Sternpunkt der Wicklungen 5a, 5b, 5c ist über einen Serienresonanzkreis 12.13 mit dem am Nulleiter 33d liegenden Sternpunkt der ihrerseits an die Phasenleiter 33a-33c angeschlossenen Primärwicklungen 9a, 9b, 9c des Übertragers 8 mitdreischenkeligem Eisenkern verbunden. Die Wicklungen 9a, 9b, 9c bilden mit zugehörigen Parallelkondensatoren l1a, l1b bzw. llc Parallelresonanzkreise. Die symmetrisch geteilten Sekundärwicklungen lOa, lOb bzw. lOc des Übertragers 8 liegen in Serie zu vorspannenden RC-Gl1edern in den Basis-EmitterKreisen der Gegentakt-Schalttransistoren.
Die Ströme in den Übertragern 3 und 8 haben zwar das Bestreben, die drei Phasen im Gleichgewicht zu halten, stellen jedoch nicht selbst die erforderliche genaue Phasenbeziehung her. Wenn nicht durch eine symmetrische Belastung, wie beispielsweise einen Dreiphasenmotor, die richtige Phasenbeziehung
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einen Phasen-Stabilisierungskreisdritte eine Induktivität 38 und einen Widerstand 38'enthält. Die Sekundärkreise sind über weitere Über- trager 39a, 39b und 39c mit den Eingangskreisen der Schalttransistoren gekoppelt, wobei jeder Transistoreingang zwei Sekurdärwicklungshälften der Übertrager 39a - 39c enthält, die in Reihe mit entspre- chenden Hälften der Sekundärwicklungen lOa, lOb und lOc geschaltet sind.
Es versteht sich, dass die Frequenzteiler in der Eingangsschaltung bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 8 auch gemäss Fig. 7 ausgebildet sein können.
DieErfindunglässt sich auch mit verteilten Impedanzen an Stelle der konzentrierten Kapazitäten und Induktivitäten in den Resonanzkreisen ausführen, beispielsweise in Verbindung mit einer Klystron- oder
Wanderwellenröhre, wobei der Serienresonanzkreis beispielsweise durch eine Stichleitung und der Parallelresonanzkreis durch einen Hohlraumresonator gebildet werden können.
Der Wirkungsgrad der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung erreicht eine Höhe bis zu 96% und die Schaltungsanordnung kann zufriedenstellend in einem weiten Bereich von komplexen Verbraucherwiderständen verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Erzeugung elektrischer Sinuswellen-Schwingungen mit Hilfe eines frequenzbestimmenden Sekundärkreises, der durch einen Übertrager mit einem Primärkreis gekoppelt ist, in dem sich eine Gleichstrom oder niederfrequenten Wechselstrom liefernde Energiequelle befindet, wobei die Energiequelle durch ein vom Sekundärkreis geliefertes Rückkopplungssignal periodisch vom Übertrager abbzw. in ihrer Polarität umgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet. dass der Sekundärkreis einen auf die gewünschte Ausgangsfrequenz abgestimmten Serienresonanzkreis (12, 13 bzw. 12a -c, 13a -c) und in Reihe damit einen wenigstens angenähert auf die gleiche Frequenz abgestimmten Parallelresonanzkreis (9, 11 bzw. 9a-c, lla-c) aufweist, wobei das Rückkopplungssignal von einem Zweig (9 bzw.
9a-c) des Pa-
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