DE1093816B - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Rechteckspannung mit veraenderbarem Tastverhaeltnis - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeugung einer Rechteckspannung konstanter Periodendauer mit von einer Bezugsspannung abhängigem Tastverhältnis unter Verwendung von zwei in Reihe an einer Spannungsquelle liegenden steuerbaren Ventil en mit hohem Innenwiderstand und einer etwa dreieckförmigen HilfsSpannung.

Es besteht ein Bedürfnis nach einfach, robust und temperaturunabhängig aufgebauten Einrichtungen dieser Art. Solche Einrichtungen werden für Steuer- und Regelzwecke, beispielsweise für Motorsteuerungen, benötigt.

Es ist Ziel der Erfindung, eine einfach und übersichtlich aufgebaute Einrichtung zur Erzeugung solcher Rechteckspannungen zu schaffen, welche mit einem Minimum an Schaltelementen eine lineare Modulation bis zu 100% Modulationsgrad mit weitgehender Unabhängigkeit von der Umgebungstemperatur gestattet. Erfindungsgemäß sind zu diesem Zweck das erste Ventil von der Bezugsspannung und das zweite ao Ventil von der taktgebenden Hilfsspannung derart gesteuert, daß stets die Speisespannung praktisch voll an dem Ventil mit der jeweils kleineren Steuerspannung steht, wobei die Periodendauer von der dreieckförmigen Hilfsspannung und das Tastverhältnis von der Bezugsspannung bestimmt werden. Die Rechteckspannung wird an dem einen Ventil abgenommen.

Es ist bekannt, zwei steuerbare Ventile mit hohem Innenwiderstand in Reihe an eine Speisespannungsquelle anzuschließen, um eine Impulsbreitenmodulation zu erzielen. Es liegt hierbei eine Art Impulsmodulationswandler vor, der nicht der Erzeugung von Rechteckimpulsen konstanter Periodendauer mit von einer Bezugsspannung abhängigem Tastverhältnis dient.

Die Ventile mit hohem Innenwiderstand können beispielsweise Penthoden sein. Gut geeignet sind auch Transistoren oder ähnliche Halbleiter, bei denen der Hauptstrom nur von der Steuerspannung, jedoch praktisch nicht von der Quellenspannung abhängt. Infolgedessen wird der Strom durch beide Ventile von demjenigen Ventil bestimmt, dessen Steuerspannung einen niedrigeren Hauptstrom verursacht. Wenn beispielsweise die dreieckförmige Spannung an der Steuerelektrode des zweiten Ventils von einem Minimalwert ansteigt, wird der Gesamtstrom nur vom zweiten Ventil bestimmt, wobei praktisch an diesem die gesamte Spannung der Versorgungsquelle steht. Sobald die dreieckförmige Steuerspannung einen Wert erreicht, bei dem der Widerstand beider \^entile gleich groß ist, übernimmt die Bezugsspannung als Steuergröße des ersten Ventils die Bestimmung des Gesamtstromes. Infolgedessen wird Schaltungsanordnung

zur Erzeugung einer Rechteckspannung

mit veränderbarem Tastverhältnis

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. April 1955

Walter B. Guggi, Buffalo, N. Y. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

nunmehr die Versorgungsspannung in ihrer ganzen Größe am ersten Ventil stehen. Überschreitet die Dreieckspannung ihren Maximalwert und beginnt wieder zu sinken, so wird die vorstehend beschriebene sprunghafte Spannungsübernahme ebenso sprunghaft wieder rückgängig gemacht, so daß die Versorgungsspannung von einem bestimmten Wert der Dreieckspannung ab wieder am zweiten Ventil liegt. Infolge der sprunghaften Spannungsübernahme entstehen an der angeschlossenen Last nahezu rechteckförmige Impulse, deren Breite durch Einstellung der Bezugsspannung als Steuergröße für das erste Ventil beliebig geändert werden kann.

Vorteilhafterweise wird das von der Hilfsspannung abhängige zweite Ventil, insbesondere bei Verwendung von Transistoren, mit einer Steuerelektrode (Basiselektrode) über Widerstände an die Ausgänge zweier einander entgegenwirkender Vollweggleichrichter, von denen dem einen ein Glättungsmittel zugeordnet ist, angeschlossen. Beide Vollweggleichrichter werden über einen Transformator von einer gemeinsamen Wechselspannung gespeist, wobei an die mit dem Transformator verbundene Seite des Glättungsmittels unmittelbar die eine Außenelektrode (Emitter) des Ventils angeschlossen ist. Die erzeugte Hilfsspannung entspricht also in ihrer Form einer umgedrehten pulsierenden Gleichspannung, bei der die

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Scheitel der Sinushalbwellen etwa auf der Nullinie gesamte Spannung der Versorgungsquelle 13 am Tranliegen und die Nullwerte die Spitzen darstellen. sistor 2 auftritt. Dies geht so lange vor sich, bis der Somit ist die Form der Hilfsspannung nicht streng durch die beiden Transistoren fließende Strom entdreieckförmig mit geraden Flächen, sondern besitzt sprechend dem Verlauf der Steuerspannung einen Teile der Sinuskurven als Flanken, was im vor- 5 Wert erreicht, der gemäß der Kennlinie nach Fig. 2a liegenden Falle von Vorteil ist. Es sinkt nämlich die begrenzt wird. Zu einem bestimmten Zeitpunkt wäh-Verstärkung eines Transistors mit steigender Basis- rend der Anstiegszeit der dreieckförmigen Spannung Emitter-Spannung. Diese Erscheinung wird durch die übernimmt somit der Transistor 1 die Bestimmung besondere Form der annähernd dreieckförmigen Span- des Gesamtstromes, der von der Bezugsspannung vornung weitgehend kompensiert. io geschrieben wird. Von diesem Zeitpunkt ab erfolgt

In den Fig. 1 bis 4 sind schematische Ausführungs- eine stetige schnelle Übernahme der Spannungsabfälle beispiele sowie Schaubilder zur Erläuterung der Wir- an den Transistoren in dem Sinn, daß nunmehr die kungsweise dargestellt. In Fig. 1 liegen im Gesamt- gesamte Quellenspannung am Transistor 1 abfällt. Der Stromkreis der Versorgungsquelle 13 zwei Ventile 1 Beginn dieser Übernahme des Spannungsabfalles er- und 2, welche als Transistoren dargestellt sind. Der 15 folgt mit Beginn der Sättigung des Transistors 1 bei Kollektor 17 des Transistors 2 ist unmittelbar mit einem von der Steuerspannung abhängigen Basisdem Emitter 9 des Transistors 1 verbunden, während strom J_b21 des Transistors 2 gemäß Fig. 2b. Bei Zuder Emitter 19 des Transistors 2 und der Kollektor 5 nähme der Steuerspannung und Anwachsen des Basisdes Transistors 1 mit dem positiven bzw. negativen stromes auf den Wert > J_b21 (z. B. J_b22, Z₆₂₃) bleibt Pol der Versorgungsquelle 13 in Verbindung stehen. 20 nun der Gesamtstrom konstant; er ist nur von der Be-Eine Last 11 mit hoher Impedanz, beispielsweise ein zugsspannung bestimmt. Wenn die Dreieckspannung Verstärkereingang, ist zwischen die Verbindung der ihr Maximum erreicht hat und wieder abnimmt, dann beiden Transistoren und den positiven Pol der Quelle wird zu einer bestimmten Zeit wieder der Punkt er-13 geschaltet. Sie könnte jedoch auch dem Tran- reicht, bei dem der Transistor 2 die Spannung und dasistor 1 parallel liegen. Eine Bezugsspannungquelle 3 25 mit die Stromsteuerung übernimmt. Von diesem Punkt ist zwischen die Basis 7 und den Emitter 9 des Tran- an wird also die Spannung der Versorgungsquelle 13 sistors 1 angeschlossen, während der Transistor 2 von wieder ausschließlich am Transistor 2 liegen,
einem Hilfsspannungsgenerator 18 mit annähernd drei- Wie aus vorstehenden Ausführungen hervorgeht, eckförmiger Ausgangsspannung gesteuert wird. Die wird der Zeitpunkt, bei dem der Transistor 1 die Span-Bezugsspannung kann entweder eine Wechsel- oder 30 nung übernimmt, durch die Größe der Bezugsspaneine Gleichspannung sein. Handelt es sich um eine nung bestimmt. Durch Einstellung dieser Bezugs-Wechselspannung, so ist es vorteilhaft, wenn ihre spannung kann also die Impulsdauer bzw. Impuls-Frequenz gegenüber der Frequenz der Hilfssteuer- breite beliebig gewählt werden,
spannung möglichst niedrig liegt. Es ist noch nachzuholen, daß in den Fig. 2a, 2b und 2c

Der Generator zur Erzeugung der dreieckförmigen 35 E_Cl den Teil der Versorgungsspannung bedeutet, der Hilfsspannung besteht in dem Ausführungsbeispiel zwischen Emitter 9 und Kollektor 5 des Transistors 1, aus einem Netztransformator 37, dessen Sekundär- und E_C2 den Teil der Versorgungsspannung darstellt, wicklung eine Mittelanzapfung 35 aufweist. An den der zwischen dem Emitter 19 und dem Kollektor 17 Transformator sind zwei Vollweggleichrichtersätze des Transistors 2 erscheint./_Cl und/_C2 sind die KoI-angeschlossen, bestehend aus den Gleichrichtern 25 40 lektorströme der Transistoren 1 und 2, die selbst- und 31 bzw. 23 und 33. Die Gleichspannung des erst- verständlich miteinander identisch sein müssen, wenn genannten Vollweggleichrichters wird durch einen die Last 11 eine hohe Impedanz besitzt. Zum Zeit-Kondensator 29 geglättet. Die Gleichspannung des punkt I₁ in Fig. 2 c ist der Strom Z_{62 min} in Fig. 2 b zweiten Gleichrichters wird in ihrer Form unverän- zwischen Emitter 19 und Basis 16 praktisch gleich dert gelassen. Die Ausgänge der beiden Gleichrichter 45 Null, entsprechend dem geringen Wert der Dreiecksind über Widerstände 20 und 21 miteinander verbun- spannung zu dieser Zeit. Der Strom Zc₂ steigt nun den, an deren Mittelpunkt die Steuerelektrode 16 des nach Fig. 2 c gemäß der dreieckförmigen Steuerspan-Transistors 2 angeschlossen ist. Die Polarität der bei- nung bis zu dem Moment t_s. Ab diesem Zeitpunkt beden Gleichrichter ist so gewählt, daß die geglättete grenzt dann der Transistor 1 den gesamten Strom der Gleichspannung von der ungeglätteten abgezogen ist, 50 beiden Transistoren auf einen konstanten Wert bis wodurch die in der Fig. 1 angedeutete dreieckige zum Zeitpunkt J₄, in welchem der Transistor 2 wieder Kurvenform entsteht. die Begrenzung des Stromes übernimmt. Der Strom

Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 ist durch den Transistor 2 bleibt also während des Zeitunter der Annahme, daß die Steuerspannung des Tran- abschnittes ί₃-ί₄ unabhängig von Änderungen der sistors 2 am Anfang etwa gleich Null ist und daß der 55 Spannung zwischen Emitter 19 und Basis 16 konstant. Transistor 1 von der Quelle 3 mit einer Bezugsspan- Demgemäß kommt im Kollektorstrom die oberste nung von bestimmter Größe gesteuert wird, folgende: Spitze der dreieckigen Spannung nicht zur Ausbil-

Der Strom vom Emitter 19 des Transistors 2 zum dung; sie ist daher gestrichelt dargestellt.
Kollektor 5 des Transistors 1 (Gesamtstrom) wird an- Die Übernahme der Spannungsabfälle von einem fangs ausschließlich vom Transistor 2 bestimmt, und 60 zum anderen Transistor erfolgt stetig. Zum Zeitzwar derart, daß an diesem die gesamte Spannung der punkt t₂ unmittelbar vor der Zeit t_s beginnt nämlich Versorgungsquelle 13 liegt. Der Transistor 1 ist ge- E_Cl zu steigen und E_C2 wegen des Anstieges des maß Fig. 2 a durch einen von der Quelle 3 herrühren- Basisstromes über den Wert/_&21 hinaus auf die Werte den Basisstrom J_bl so ausgesteuert, daß der Gesamt- ^&22> ^f>23 ^usw· ^s Jbzmax ^zu fallen. Zu demselben strom Jei — Ja keinen Spannungsabfall am Tran- 65 Zeitpunkt beginnt also der Transistor 1 den Gesamtsistor hervorrufen kann. Der Basisstrom /^₁ hängt Stromfluß zu begrenzen. Das Zeitintervall Δ _t zwischen von der Bezugsspannung der Quelle 3 ab. Mit dem _tl und _t2 bestimmt die Steilheit der Impulse und hängt Ansteigen der dreieckförmigen Steuerspannung wird ab von der Steilheit der Kollektorstrom - Kollektorder Strom im Transistor 2 und damit der Gesamt- spannungs - Charakteristik, mit anderen Worten, strom steigen, wobei jedoch trotzdem immer noch die 70 vom Innenwiderstand beider Transistoren. In ahn-

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licher Weise ist auch das Zeitintervall zwischen t_i und i₅ für die Steilheit der Rückenflanke des Impulses maßgebend.

In Fig. 3 sind die zeitlichen Verläufe der Spannungen Eq₂ zwischen Emitter und Kollektor des Transistors 2 und E_Cl zwischen Emitter und Kollektor des Transistors 1 dargestellt. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Last 11 entweder zwischen Emitter 19 und Emitter 17 des Transistors 2 oder zwischen Emitter 9 und Kollektor 5 des Transistors 1 geschaltet werden kann. Die Impulsspannung E_Cl ist gegenüber der Impulsspannung E_Ci um 180° phasenverschoben, d. h. wenn die Spannung E_Cl ihren Höchstwert hat, ist die Spannung Eq.₂ Null und umgekehrt, wobei die Impulsdauer einer Spannung jeweils der Impulspause der anderen entspricht.

Die Anordnung nach der Erfindung ist darüber hinaus temperaturunabhängig, da für den Zeitpunkt des Impulsbeginns bzw. Impulsendes der Zeitpunkt maßgebend ist, in dem die Steuerspannungen beider Transistoren gleich groß sind. Es ist somit gleichgültig, wie groß der Absolutwert der Aussteuerung, d. h. die Amplitude des entstehenden Impulses ist. Es kann sich zwar die Amplitude, nicht aber die Modulation bei Temperaturschwankungen ändern, da die Kennlinien beider Transistoren im gleichen Maße temperaturempfindlich sind.

Bekanntlich fällt die Verstärkung von Transistoren mit steigender Emitter-Basis-Spannung. Es ist oben bereits erwähnt worden, daß die Ausgangsspannung des Generators 18 nicht genau dreieckförmig ist, sondern bei niedrigen Werten sich ziemlich wenig ändert, da sie die Form einer gespiegelten sinusähnlichen pulsierenden Spannung hat. Diese Form erweist sich bei der Verwendung von Transistoren als Ventile günstig, da die Kurvenform des Kollektorstromes des Transistors 2 hierbei nahezu völlig dreieckförmig wird. Die hierbei erreichte Vereinfachung der Schaltung bei guter Modulationslinearität ist bemerkenswert und besonders dort wichtig, wo niedriges Gewicht und geringe Instandhaltungsaufwendungen gewünscht sind.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß durch geeignete Einstellung der Bezugsspannung der Transistor 1 zu jeder beliebigen Zeit während einer vollen Schwingung des Generators 18 die Strombegrenzung übernehmen kann, ergibt sich die Möglichkeit einer 100%igen Impulsmodulation bei einfachstem Aufwand.

Darüber hinaus ist es durch die Erfindung auch leicht möglich, mehrere Bezugsspannungen zu überlagern. In Fig. 4 wird die Impulsbreitenmodulation von der Summe der Ausgangsspannungen mehrerer Bezugsspannungsquellen, die mit einem Punkt am gleichen Potential liegen, bestimmt. Die Schaltung entspricht im wesentlichen der in Fig. 1 mit der Ausnähme, daß einer oder mehrere Transistoren dem Transistor 1 parallel geschaltet sind. Die Bezugsspannungsquellen sind jeweils zwischen Emitter und Basis der einzelnen Transistoren angeschlossen. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, sind die Kollektoren 5 α und 5 b der Transistoren 1 α und 1 δ an den negativen Pol der Versorgungsquelle 13, die Emitter 9 a und 9& der Transistoren la und 1 & an den Kollektor 17 des Transistors 2 angeschlossen. In ähnlicher Weise kann jede beliebige Anzahl weiterer Transistoren mit den dazugehörenden Bezugsspannungsquellen angeschlossen werden.

Die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels ist im wesentlichen die gleiche wie die des ersten. Wenn die Größe der Dreieckspannung von Null ausgehend zunimmt, bestimmt der Transistor 2 den Gesamtstrom bis zu dem Punkt, an dem die Transistoren 1 α und 1 b gemeinsam den Strom zu begrenzen beginnen. Der Transistor la· kann beispielsweise schon vor dem Transistor 1 b die Spannung zu übernehmen trachten, wird dann jedoch durch den Nebenschluß des Transistors 1 b gehindert. Da die Emitter-Kollektor-Kreise der Transistoren 1 α und 1 b parallel liegen, wird der Gesamtstrom auf beide etwa hälftig aufgeteilt, bis einer von ihnen in Sättigung kommt, so daß die Ausgangsspannung an der Last 11 von der Summe der Sättigungsströme der Transistoren la und Ib und daher von der Summe der Bezugsspannungen 3a und Sb abhängt.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele und die gezeigten Details beschränkt, da ohne Abweichen vom Erfindungsgedanken verschiedene Abänderungen möglich sind. Es sei beispielsweise nur darauf hingewiesen, das anstatt der emittergeerdeten Transistoren nach den Fig. 1 und 4 auch kollektor- oder basisgeerdete verwendet werden können.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaltungsanordnung, bei der eine Rechteckspannung konstanter Periodendauer mit von einer Bezugsspannung abhängigem Tastverhältnis, deren Periodendauer von einer dreieckförmigen Hilfsspannung bestimmt ist, unter Verwendung von zwei in Reihe an einer Spannungsquelle liegenden steuerbaren Ventilen mit hohem Innenwiderstand und einer dreieckförmigen Hilfsspannung von dem einen Ventil abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ventil von der Bezugsspannung und das zweite Ventil von der taktgebenden Hilfsspannung derart gesteuert sind, daß die Speisespannung praktisch voll an dem Ventil mit der jeweils kleineren Steuerspannung steht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ventile Transistoren verwendet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum ersten Ventil ein oder mehrere weitere steuerbare Ventile mit hohem Innenwiderstand mit je mindestens drei Elektroden parallel geschaltet sind und an diese je eine weitere einstellbare Bezugsspannung gelegt ist.

4. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ventil mit seiner Steuerelektrode (Basiselektrode) über Widerstände an die Ausgänge zweier von einer gemeinsamen Wechselspannung über einen Transformator .gespeister gegeneinander geschalteter Vollweggleichrichter, von denen dem einen ein Glättungsmittel zugeordnet ist, angeschlossen und mit seiner einen Außenelektrode unmittelbar mit dem Glättungsmittel verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektrode des zweiten Ventils mit der Mittelanzapfung der die Vollweggleichrichter speisenden Transformatorsekundärwicklung sowie mit der einen Belegung eines Glättungskondensators leitend verbunden ist und daß die Steuerelektrode des Ventils einerseits über einen Widerstand mit der anderen Belegung des Glättungskondensators und den gleichartigen Polen des zugeordneten, mit den Enden der Sekundärwicklung verbundenen einen Vollweggleichrichters

sowie andererseits über einen zweiten Widerstand über den zweiten, entgegengesetzt zum ersten arbeitenden Vollweggleichrichter mit den Enden der Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 839 948, 884 514; Patentschrift Nr. 9484 des Amtes für Erfindungsund Patentwesen in der sowjetischen Besatzungszone 5 Deutschlands.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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