DE1064567B - Transistoroszillator - Google Patents

Description

DEUTSCHES

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G 21283 VIIIa/21a⁴

ANMELDETAG: 11. JANUAR 1957

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER

AUSLEGESCHRIFT: 3. SEPTEMBER 1959

Die Erfindung betrifft Transistoroszillatorschaltungen, insbesondere betrifft sie rückgekoppelte Transistoroszillatoren nach dem Sperrschwingerprinzip, welche in Gegentakt geschaltet sind. Oszillatoren dieser Art sind in der Technik bereits bekannt.

Wenn ein Transistoroszillator als Stromversorgungsquelle Verwendung finden soll, was ebenfalls in der Technik bekannt ist, ist es wünschenswert, den Oszillator mit leistungsstarkem Ausgang zu betreiben. Um große Leistung bei gutem Wirkungsgrad aufzubringen, haben die sogenannten Gegentaktschaltungen seit langem bekannte Vorteile. Es müssen jedoch Vorkehrungen getroffen sein, um übermäßig hohe, in Sperrichtungen auftretende Spannungen an den Transistorelektroden zu vermeiden und einen Betrieb der Transistoren innerhalb ihrer Strom- und Durchlaßspannungsgrenzen zu gewährleisten.

Ziel der Erfindung ist es, einen verbesserten Transistoroszillator in Gegentakt zu schaffen, der von einfacher Schaltung ist und geeignet, große Leistungen aufzubringen, ohne daß die Strom- und Spannungsgrenzen der Transistoren überschritten werden.

Die Erfindung kann in der Weise ausgeführt werden, wie es nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung im einzelnen beschrieben wird. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein schematisches Schaltbild eines Transistoroszillators in Gegentakt.

Wie bereits bekannt, können derartige Oszillatoren mit einem Gleichrichter zusammen verwendet werden, um eine relativ hohe Gleichspannung aus einer Quelle niederer Gleichspannung zu erzeugen. Im allgemeinen umfaßt der Oszillator ein Paar Transistoren 10 und 10', die von einer Spannungsquelle oder Batterie 12 her mit Energie versorgt werden und einem Ausgangstransformator 14 Wechselstrom zuführen. Eine Gleichrichterschaltung 16 wird von diesem Transformator 14 her gespeist.

Die Transistoren 10 und 10' enthalten je eine Emitterelektrode 18 bzw. 18', eine Kollektorelektrode 20 bzw. 20' und eine Basiselektrode 22 bzw. 22'. Beide Transistoren sind in diesem Beispiel Flächentransistoren und vom p-n-p-Typ, bei dem die Emitter- und Kollektorelektrode aus p-leitendem Material bestehen mit Defektelektronen (Löchern) als Majoritätsträgern und die Basiselektrode aus η-leitendem Material mit Elektronen als Majoritätsträgern.

Es sind auch Anordnungen denkbar, bei denen der Transistor ein Spitzentransistor oder ein n-p-n-Flächentransistor ist. Die Ausgangskreise der Transistoren 10 und 10' sind mit den Primärwicklungen 24 und 26 des Transformators 14 und mit der Spannungsquelle 12 in einer Gegentaktanordnung zusammengefaßt. Der Ausgangskreis des Transistors 10 erstreckt sich von der Emitterelektrode 18 über den Leiter 28 Transistoroszillator

Anmelder:
General Motors Corporation,
Detroit, Mich. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. W. Miiller-Bore und Dipl.-Ing. H. Gralfs,
Patentanwälte, Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom. 17. Januar 1956

Kenneth S. Vogt und Leslie E. Scott, Kokomo, Ind.
(V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

und den Widerstand 30 im Emitterkreis zum Start- oder Einschalter 32. Von diesem Schalter 32 geht der Stromkreis \veiter zu dem positiven Pol der Spannungsquelle oder Batterie 12 und von dort zu einem Punkt mit Bezugs- oder Massepotential 34. Der Ausgangskreis des Transistors 10 schließt sich über die Primärwicklung 24 des Ausgangstransformators 14 durch Verbindung des Massepunktes 36 mit der Mittelanzapfung 38 und der Klemme 40 mit der Kollektorelektrode 20. In ähnlicher Weise verläuft der Ausgangskreis des Transistors 10' von der Emitterelektrode 18' über den Leiter 42, den Emitterwiderstand 30, den Schalter 32 und die Batterie 12 nach Masse bei 34. Der Kreis schließt sich zur Kollektorelektrode 20' hin über die Primärwicklung 26 durch Verbindung des Massepunktes 36 mit dem Mittelabgriff 38 und der Klemme 44 mit der Kollektorelektrode 20'.

Man erkennt, daß die Emitter-Kollektor-Kreise der Transistoren 10 und 10', einen gemeinsamen Zweig besitzen, der über den Emitterwiderstand 30 läuft.

Der Widerstand 30 ist, verglichen mit dem Emitterwiderstand der Transistoren 10 und 10', von niedrigem Wert und stellt in den Emitterkreisen eine gewisse Gegenkopplung dar zur Stabilisierung des Oszillators gegenüber Temperaturschwankungen.
Der Eingangskreis eines jeden der Transistoren enthält einen Rückkopplungskreis, der von dem Ausgangskreis des anderen Transistors erregt wird und zwischen den Emitter- und Basiselektroden liegt. Die Emitterelektroden 18 und 18' der Transistoren 10

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und 10' sind durch die Leiter 28 und 42 zusammengeschaltet und dann über den Widerstand 30 zu einem gemeinsamen Verbindungspunkt 46 geführt. Ein Widerstand 48 liegt zwischen dem Verbindungspunkt 46 und der Basiselektrode 22 und ein Widerstand 50 zwischen demselben Verbindungspunkt 46 und der Basiselektrode 22'. Der Rückkopplungskreis enthält eine Rückkopplungswicklung 52. die mit den Primärwicklungen 24 und 26 induktiv gekoppelt und mittels der Klemmen 54 und 56 zwischen die Basiselektroden 22 und 22' geschaltet ist. Mit der Rückkopplungswicklung 52 liegen ein Kondensator 58 und ein Widerstand 60 in Reihe, um die Kurvenform der rückgekoppelten Stromimpulse zu beeinflussen. Durch diese Anordnung kann eine sinusquadratförmige Welle am Ausgang und eine maximale Leistung erreicht \verden.

Die Anwendung einer einzelnen induktiven Rückkopphtngswicklung 52 an Stelle einer Anordnung mit Mittelanzapfung, wie sie in der bisherigen Technik üblich ist. hat folgende Vorteile:

In einer Wicklung mit Mittelanzapfung ist es schwierig, den genauen Mittelpunkt zu lokalisieren. Darüber hinaus kann es sein, daß die induktive Kopplung der beiden Wicklungsteile mit der Primärwicklung nicht genau gleich, die Schaltung also nicht symmetrisch ist. In der nachstehend im einzelnen beschriebenen Schaltungsanordnung ist diese Schwierigkeit vermieden, und es ist lediglich erforderlich, die Widerstände 48 und 50 gleichzumachen, um einen ausbalancierten Betrieb zu gewährleisten.

Die Widerstände 48 und 50 im Eingangskreis der Transistoren schaffen einen niederohmigen Zweig von den Emitter- zu den Basiselektroden, welcher so wirkt, daß der Betrieb innerhalb der Strom- und Spannungsgrenzen der Transistoren bleibt, wenn die Betriebs- temperaturen anwachsen. Ein Anstieg des Kollektorstromes mit der Temperatur bei Konstantbleiben der übrigen Faktoren gehört zu den unvermeidlichen Eigenschaften der Transistoren und kann zu einem thermischen »Davonlaufen« und schließlich zu einer Zerstörung des Transistors führen, wenn eine Kompensation nicht vorgesehen ist. Die Widerstände 30, 48 und 50 schaffen eine Gegenkopplung in den Eingangskreisen, deren Wirkung mit dem Strom im Ausgangskreis anwächst, so daß dieser auf einen bestimmten Wert begrenzt wird. Die Schaltungsanordnung zur Inbetriebsetzung oder Startung des Oszillators enthält einen Widerstand 62 zwischen Basiselektrode 10' und Massepunkt 64.

Auf diese Weise wird, ausgehend von der positiven Klemme der Batterie 12, ein Stromkreis über den Schalter 32, den Widerstand 30, die Emitterelektrode 18', die Basiselektrode 22' und den Widerstand 62 nach Massepunkt 64 geschlossen. Der Widerstand 62 verursacht eine anfängliche Ungleichheit der an den Basiselektroden 22 und 22' anstehenden Spannungen. Dadurch ist, wenn der Schalter 32 geschlossen wird, der dem Eingangskreis des Transistors 10' zugeführte Anfangsstrom größer als der dem Eingang des Transistors 10 zugeführte.

Der Ausgang des Oszillators ist durch den Transformator 14 mit einer Zweiweggleichrichterschaltung 16 gekoppelt. Die Gleichrichterschaltung enthält in geeigneter Weise eine Doppeldiode 63, deren Anoden 65 und 66 bei den Klemmen 70 bzw. 72 an die Sekundärwicklung 68 des Transformators angeschlossen sind. Die Sekundärwicklung hat eine bei 74 mit Masse verbundene Mittel anzapfung. Ein Kondensator 76 liegt parallel zu den Klemmen 70 und 72 der Sekundärwicklung. Die Kathode 78 ist an den Leiter 80 des

Ausgangskreises angeschaltet, um die gleichgerichtete Ausgangsspannung an irgendeine gewünschte Nutzlast anzulegen. Ein Siebkondensator 82 und eine Belastungsvorrichtung, dargestellt durch den Widerstand 84, liegen zwischen dem Leiter 80 und den Massepunkten 86 bzw. 88.

Im Betrieb wird die Anfachung der Schwingungen durch das Schließen des Startschalters 32 ausgelöst. Hierdurch wird der obenerwähnte Startkreis geschlossen, der sich von der positiven Klemme der Batterie 12 über die Emitter- und Basiselektrode des Transistors 10' und den Widerstand 62 sowie über die Masseverbindungen zum negativen Pol der Batterie erstreckt. Auf diesem Weg kann ein kleiner Startstrom in Durchlaßrichtung von der Emitterelektrode 18' zur Basiselektrode 22' fließen, wodurch wiederum ein Stromfluß im Ausgangskreis von der Batterie 12 über die Emitterelektrode 18' zur Kollektorelektrode 20' und von dort über die Primärwicklung 26 nach Massepunkt 36 in Gang kommt. Dieser Strom im Ausgangskreis des Transistors 10' induziert in der Rückkopplungswicklung 52 vermöge der induktiven Kopplung mit den Primärwicklungen 24 und 26 eine Spannung. Die relativen Polaritäten der Spannungen an der Primärwicklung 26 und der Rückkopplungswicklung 52 sind in diesem Betriebsaugenblick so, wie in der Zeichnung angedeutet. Die induzierte Rückkopplungsspannung bewirkt einen Anstieg des Stromes im Eingangskreis des Transistors 10', was einen weiteren Stromanstieg im Ausgangskreis zur Folge hat. Der Kreis für den Rückkopplungsstrom kann folgendermaßen verfolgt werden: Ausgehend von der Klemme 54 erstreckt er sich über den Kondensator 58, die Widerstände 48 und 30, die Emitterelektrode 18', die Basiselektrode 22', den Widerstand 60 und dann zurück zu der Klemme 56 der Rückkopplungswicklung 52. Die Kurvenform des rückgekoppelten Stromes ist weitgehend durch den Reihenkondensator 58 und die Widerstände 48, 30 und 60 bestimmt. Der Ausgangsstrom erreicht einen Maximalwert, bestimmt durch die Schaltungsparameter, und die rückgekoppelte Spannung nimmt zu Null hin ab. Der Strom im Ausgangskreis über die Primärwicklung 26 geht sehr schnell zurück, und die leitende Phase der Periode für den Transistor 10' ist beendet.

Wenn der Strom im Ausgangskreis in der Wicklung 26 abnimmt, beginnt das magnetische Feld des Transformators zusammenzubrechen, wodurch sich die Polarität der Spannung zwischen der Klemme 44 und der Anzapfung 38 umkehrt. Hierdurch besteht während der nichtleitenden Phase der Periode des Transistors 10' die Neigung zum Auftreten einer hohen, in Sperrichtung anliegenden Spannung an den Elektroden dieses Transistors. Die Spannung an der Rückkopplungswicklung 52 kehrt sich jedoch ebenfalls um, so daß eine Polarität auftritt, die einen Eingangsstrom zum Transistor 10 in Durchlaßrichtung zwischen Emitterelektrode 18 und Basiselektrode 22 fließen läßt. Dieser Stromfluß im Durchlaßkreis einschließlich der Widerstände 60, 50 und 30 sowie des Kondensators 58 wirkt in der Weise, daß die in dem magnetischen Feld des Transformators 14 gespeicherte Energie abgebaut und durch die in Sperrichtung auftretende Spannung an den Elektroden des Transistors 10' auf einen ungefährlichen Wert begrenzt wird.

Der Stromfluß in dem Eingangskreis des Transistors 10 setzt während der nichtleitenden Phase des Transistors 10' eine Stromleitung in dem Ausgangskreis des Transistors 10 in Gang, und zwar durch die Primärwicklung 24.

Claims (6)

Als Folge davon wird eine Rückkopplungsspannung in der Rückkopplungswicklung 52 zwischen den Klemmen 54 und 56 induziert, deren Polarität in diesem Betriebsaugenblick der in der Zeichnung angedeuteten Polarität entgegengesetzt ist. Die leitende Phase für den Transistor 10 endet mit dem Zusammenbruch des magnetischen Feldes des Transformators 14 in derselben Weise, wie mit Bezug auf den Transistor 10' beschrieben wurde. Die zweite Halbperiode des Oszillators ist damit abgeschlossen. Während der nichtleitenden Phase des Transistors 10 wird die in der Rückkopplungswicklung 52 induzierte Spannung erneut umgepolt, wodurch ein Strom im Eingangskreis des Transistors 10' in Durchlaßrichtung zwischen Emitterelektrode 18' und Basiselektrode 22' hervorgerufen wird. Dieser Strom wirkt so, daß er die an den Elektroden des Transistors 10 in Sperrichtung auftretende Spannung begrenzt. Die zweite Periode des Oszillators wird durch den Eingangsstrom zum Transistor 10' eingeleitet, und die eben beschriebene Wirkung wiederholt sich in rascher Folge und läßt somit in der Primärwicklung des Transformators 14 anhaltende Schwingungen entstehen. Die in der Sekundärwicklung 68 induzierte Spannung wird in bekannter Weise durch die Schaltung 16 gleichgerichtet. Die am Ausgang an den Klemmen 74 und 78 erscheinende Gleichspannung kann an jede gewünschte Nutzlast angelegt werden. Patentansprüche: 30

1. Transistoroszillator mit einem Paar in Gegentakt geschalteter Transistoren, deren Kollektorelektroden an die Enden einer in der Mitte angezapften Primärwicklung eines Ausgangstransformators angeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangstransformator (14) eine einzelne nicht angezapfte Rückkopplungswicklung (52) besitzt, die so geschaltet ist, daß sie an die Eingangskreise (18, 22 bzw. 18', 22') beider Transistoren Rückkopplungsenergie liefern kann, und daß durch parallel zu den Eingangskreisen der Transistoren geschaltete Widerstände eine angenäherte Sym-

metrie sowohl der Gleichspannungen wie der rückgekoppelten Spannungen bewirkt wird.

2. Transistoroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektroden (22 bzw. 22') der zwei Transistoren über zwei Widerstände gleicher Größe (48 und 50) miteinander verbunden sind, wobei deren Verbindungspunkt (46) an dem einen Pol der Spannungsquelle liegt und daß die Emitterelektroden (18 bzw. 18') zusammengeschaltet und über einen Widerstand (30) an den Verbindungspunkt (46) der gleich großen Widerstände geführt sind, während die Mittelanzapfung (38) der erwähnten, in der Mitte angezapften Primärwicklung mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbunden ist.

3. Transistoroszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektroden (22 bzw. 22') über eine Reihenschaltung, bestehend aus der Rückkopplungswicklung (52), dem Kondensator (58) und dem Widerstand (60), miteinander verbunden sind.

4. Transistoroszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der erwähnten Basiselektroden (22 oder 22') durch einen Widerstand (62) mit dem anderen Pol der Spannungsquelle (12) verbunden ist.

5. Transistoroszillator nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch seine Anwendung in einem Gleichspannungstransverter, in Verbindung mit einer nachgeschalteten Gleichrichteranordnung.

6. Transistoroszillator mit nachgeschalteter Gleichrichteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern des Ausgangsübertragers (14) außer der mit den beiden Ausgangselektroden (20, 20') verbundenen Primärwicklung (24) und der Rückkopplungswicklung (52) auch noch die Ankopplungswicklung (68) für die Gleichrichteranordnung trägt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Proceedings of the IRE«, Januar 1955, S. 99;
»Elektronik«, Heft 10/1956, S. 271 bis 273.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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