DE1094348B

DE1094348B - Transistor-Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE1094348B
Application number: DED23033A
Authority: DE
Inventors: Richard Zaubitzer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1956-05-29
Filing date: 1956-05-29
Publication date: 1960-12-08

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen mit Transistoren ausgerüsteten Gleichspannungswandler.

Derartige Schaltungen sind bereits bekannt und beruhen auf dem Prinzip, durch eine Rückkopplungsschaltung der Transistoren in. einem Transformator einen magnetischen Wechselfluß zu erzeugen und aus einer entsprechend übersetzten Sekundärwicklung des Transformators nach Gleichrichtung eine hohe Gleichspannung abzunehmen.

Es ist weiter bekannt, zur Erhöhung des Wirkungsgrades (Wegfall der Vormagnetisierung) die Transistoren mit entsprechend mittelangezapften Rückkopplungswicklungen im Gegentaktbetrieb arbeiten zu lassen. Es gehört außerdem zum Stand der Technik, die zur Rückkopplung und zur Aufwärtstransformierung notwendigen Induktivitäten so auf einem gemeinsamen Kern anzuordnen, daß sie gleichzeitig die Primärwicklung für den Aufwärtstransformator darstellen.

Endlich ist es bekannt, bei Gegentaktspannungswandlern zwischen der Mittelanzapfung der mit je einem Ende an eine der Basiselektroden geführten Rückkopplungswicklung und der im Kollektor-Emitter-Stromkreis jeweils in Reihe mit einer Hälfte der mittelangezapften Primärwicklung liegenden Batterie einen ohmschen Regelwiderstand einzuschalten. Ein solcherart eingefügter ohmscher Regelwiderstand hat bei der vorbekannten Schaltungsanordnung die Aufgabe, den über die Emitter-Basis-Strecke fließenden Strom zu begrenzen, welcher infolge der in Flußrichtung angelegten Vorspannung bei Fehlen des Widerstandes unzulässig hohe Werte annehmen würde.

Die vorstehend beschriebenen Schaltungen ergeben, wenn sie für einen speziellen Belastungsfall genau dimensioniert sind, sehr günstige Wirkungsgrade. Ändert sich jedoch die Belastung, so ist bei den bekannten Schaltungen eine Nachstellung der den Arbeitspunkt der Transistoren festlegenden Schaltelemente notwendig, um stets im Bereich eines optimalen Wirkungsgrades zu arbeiten. Ein weiterer kritischer Punkt bei derartigen Transistor-Gleichspannungswandlern stellt die Forderung nach sicherem Anschwingen der Anordnung bei voller Last dar. Bei den bekannten Schaltungen stellt die gleichzeitige Erfüllung der Forderungen nach günstigem Wirkungsgrad und sicherem Anschwingen unter Last ein nur durch Verstellung oder Umdimensionierung von mehreren Schaltelementen zu bewältigendes Problem dar. Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, die letztgenannten beiden Bedingungen durch Verstellung nur eines einzigen Regelgliedes einzuhalten.

Auch die Schaltungsanordnung nach der Erfindung geht von einem Gleichspannungswandler aus, bei dem der zur Transformierung erforderliche magnetische Transistor-Gleichspannungswandler

Anmelder:

Dr. phil. habil. Oskar Vierling,
Ebermannstadt (OFr.)

Richard Zaubitzer, Frankfurt/M.,
ist als Erfinder genannt worden

Wechselfluß durch die Ströme zweier als Gegentaktoszillator arbeitenden Transistoren erzeugt wird, dessen in den Kollektor- und Basiszuleitungen liegende, miteinander gekoppelte, mittelangezapfte Selbstinduktionen gleichzeitig die Primär- bzw. Rückkopplungswicklung eines Aufwärtstransformators darstellen und bei dem zwischen der Mittelanzapfung der mit je einem Ende an eine der beiden Basiselektroden geführten Rückkopplungswicklung und der im Kollektor-Emitter-Stromkreis jeweils in Reihe mit je einer Hälfte der mittelangezapften Primärwicklung Hegenden Batterie ein ohmscher Regelwiderstand liegt, der von den Basisströmen beider Transistoren durchflossen wird. Gemäß der Erfindung kommt der Regelwiderstand mit seinem batterieseitigen Anschluß unmittelbar an den beiden Emitterelektroden zu liegen. Die Aufgabe des in der erfindungsgemäßen Weise eingeschalteten Widerstandes ist mit den in vorbekannten Spannungswandlerschaltungen verwendeten Regelwiderständen nicht zu vergleichen, weil über den Widerstand der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kein Ruhestrom fließt, also auch keine Begrenzung erfolgen muß. Über den vorgesehenenRegelwiderstand fließt lediglich die zu regelnde Rückkopplungsleistung, er verursacht also an dieser Stelle keine vermeidbaren Verluste und trägt somit zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei, weil er eine Regelung und genaue Einstellung für den jeweiligen Belastungsfall ermöglicht. Auch die bei Eintaktgleichspanntmgswandlern vorgesehenen Regelwiderstände lassen sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung nicht vergleichen, weil beim Eintaktgleichspannungswandler auf Grund seiner anders gearteten Funktion stets ei»Vormagnetisierungsstrom fließen muß: Aus diesem Grunde ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme auf Gegentaktgleichspannungswandler beschränkt.

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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden zur Kontrolle der Einstellung in Serie mit dem ohmschen Regelwiderstand sowie zwischen dem gemeinsamen Emitteranschluß und der Batterie je ein Strommesser eingeschaltet. Die günstigste Einstellung des sicheren Rückkopplungseinsatzes der beidenTransistorkreise und des optimalen Wirkungsgrades erfolgt also nur über einen einzigen Widerstand.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand dreier schematischer Darstellungen näher erläutert. Die drei Abbildungen unterscheiden sich lediglich in der Ausführung des Gleichrichterteiles.

Abb. 1 zeigt eine Verdopplerschaltung,

Abb. 2 eine Verdreifacherschaltung und

Abb. 3 eine Vervierfacherschaltung im Ausgang der erfindungsgemäßen Anordnung.

In der Abb. 1 sind die Transistoren t_t und t₂ als Gegentaktoszillator geschaltet. Im Ausführungsbeispiel wurden PNP-Transistoren verwendet. Die mittelangezapften Wicklungen W₁ und W₂ befinden sich in bekannter Weise auf einem gemeinsamen Kern mit der Sekundärwicklung W₃. Durch Regeln des Widerstandes r₂ läßt sich der günstigste Wirkungsgrad und das sichere Anschwingen der Anordnung unter Beobachtung der Strommesser I₁ und L₂ sowie des Spannungsmessers ν einstellen. Bei optimal eingestellten Schaltanordnungen können natürlich nachträglich die Instrumente I₁, I₂ und ν in Fortfall kommen. Diese Kontrollmöglichkeit ist insbesondere deswegen von so großem Vorteil, da es bei dem Stand der Technik nicht möglich ist, Transistoren· mit so engen Toleranzen wie z. B. Röhren herzustellen.

Die Wicklungen W₁ und w₂ besitzen zueinander entgegengesetzten Wicklungssinn; der Wicklungssinn von w_:i kann beliebig gewählt werden. Um die Anordnung in Gang zu setzen, wird durch den Startschalter J₁ das Minuspotential der Batterie b über den Begrenzungswiderstand T₁ durch kurzzeitiges Antasten an die Basis einer der Transistoren t_x oder t₂ gelegt. Darauf setzen die Schwingungen sofort voll ein, auch wenn die volle Verbraucherlast an der Wicklung W₃ anliegt. Diese Ausführungsform des Startschalters gewährleistet eine volkommene Symmetrie im Betrieb. Vorteilhaft wird man den Einschalter J₂ mit dem Startschalter J₁ mechanisch in geeigneter Weise koppein, so daß nur eine Schalterbetätigung notwendig ist.

Es ist gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung unter Verzicht auf vollkommene Symmetrie im Betrieb auch möglich, den Begrenzungswiderstand Y₁ fest an die Basis einer der beiden Transistoren zu legen und damit einen besonderen Startschalter einzusparen. Dann springt nach Einschalten des Stromkreises über den Schalter J₂ die Schwingung sofort unter Last an. Allerdings ist bei dieser Ausführungsform der Wirkungsgrad infolge der gestörten Symmetrie nicht ganz so günstig.

Im Interesse der bestmöglichen Ausnutzung des Wickelraumes ist es vorteilhaft, Spannungs-Vervielfacher-Schaltungen anzuwenden, da dann infolge des entsprechend kleineren notwendigen Übersetzungsverhältnisses weniger Windungen für die Spule W₃ benötigt werden, wodurch der aktive Kupferwickelraum wächst, da das Verhältnis von Kupferraum zum Isoliermittelraum (z. B. Lackraum bei Kupfer-Lackdrähten) bei konstantem Wickelraum und abnehmender Windungszahl größer wird. In Abb. 1 wird als Beispiel eine Verdopplerschaltung gezeigt. In Abb. 2 liegt eine Verdreifacherschaltung, in Abb. 3 eine Vervierfacherschaltung vor.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das Verhältnis der Windungen von W₁ zu W₂ etwa in die Grenzen von 1 :1 bis 2 :1 zu legen; z.B. bei Verwendung eines M-30-Spulenkörpers bestehen die einzelnen Wicklungshälften von W₁ und W₂ vorteilhaft nur aus je einer Lage zu etwa 30 bis 50 Windungen. Bei einem Wicklungsverhältnis von 2 :1 bestehen vorteilhaft die einzelnen Wicklungshälften von W₁ aus je einer Lage zu etwa 30 bis 50 Windungen, während die beiden Wicklungshälften von w₂ vorteilhaft aus zwei paralleldrähtig gewickelten Wicklungen in einer Lage zu je 15 bis 25 Windungen bestehen.

Ferner hat sich z. B. die Verwendung von Magnetkernen aus gepreßten und anschließend gebrannten und gesinterten Eisenoxyden infolge geringer Wirbelstrom- und auch Ummagnetisierungsverluste als besonders vorteilhaft erwiesen.

Da infolge der geringen μ-Werte von Massekernspulen bzw. Eisenoxydkernspulen die Induktivitäten auch recht gering sind, stellt sich eine verhältnismäßig große Betriebsfrequenz als Schwingung ein, etwa 5 bis 1OkHz, so daß der Transformator kleinste Abmessungen erhält. Es ergab sich, daß bei den Versuchsanordnungen zusätzliche Kapazitäten überflüssig waren, die Schwingungen traten sofort stabil auch ohne äußere Kondensatoren ein, die Wicklungskapazitäten, Schaltkapazitäten usw. genügten vollauf. In den gezeigten Gleichrichterschaltungen in Abb. 1, 2 und 3 werden vorteilhaft Germanium- oder auch Siliziumdioden verwendet, welche ohne Sperrspannungen besitzen.

Da die Einstellung des günstigsten Wirkungsgrades mittels des veränderlichen Widerstandes r₂ unter Berücksichtigung der besonderen \^rerbraucherlast möglich ist und daher keine starre Bauvorschrift für den Transformator erforderlich ist, kann der Transformator bezüglich seiner Primärwicklungen und der davon völlig unabhängigen Verbraucherwicklung (Lastwicklung) genau so einfach berechnet werden wie z. B. ein herkömmlicher Netztransformator, eine Berechnungsart, die bei den bisherigen Schaltungen nicht ohne weiteres anwendbar war.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß bereits kleinste Primärspannungen, z. B. 1,2 Volt, verwendet werden können, wobei auch hier ein Wirkungsgrad von etwa 80% und ein sofortiges Anschwingen unter Last gesichert ist. Die Leistung der angegebenen Schaltung liegt z. B. bei 1,2 Volt über 100 mW; bei 6 Volt lassen sich ohne weiteres 1,5 bis 2 Watt erzielen, während bei den bisher bekannten Schaltungen im allgemeinen bei einer Primärspannung von 6 Volt nur Leistungen von etwa 0,5 Watt erreicht werden konnten.

Claims

Patentansprüche:

1. Gleichspannungswandler, bei dem der zur Transformierung erforderliche magnetische Wechselnuß durch die Ströme zweier als Gegentaktoszillator arbeitender Transistoren erzeugt wird, dessen in den Kollektor- und Basiszuleitungen liegende, miteinander gekoppelte mittelangezapfte Selbstinduktionen gleichzeitig die Primär- bzw. Rückkopplungswicklung eines Aufwärtstransformators darstellen und bei dem zwischen der Mittelanzapfung der mit je einem Ende an eine der beiden Basiselektroden geführten Rückkopplungswicklung und der im Kollektor-Emitter-Stromkreis jeweils in Reihe mit einer Hälfte der mittelangezapften Primärwicklung liegenden Batterie ein Ohmscher Regelwiderstand liegt, der von

den Basisströmen beider Transistoren durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelwiderstand (r₂) mit seinem batterieseitigen Anschluß unmittelbar an den beiden Emitterelektroden zu liegen kommt.

2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontrolle der Einstellung in Serie mit dem Ohmschen Regelwiderstand (r₂) sowie zwischen dem gemeinsamen Emitteranschluß und der Batterie (b) je ein Strommesser (Z₁, L₂) eingeschaltet ist.

3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Startschalter (S₁) das Batteriepotential über einen Begrenzungswiderstand (T₁) durch kurzzeitiges Antasten an die Basis einer der Transistoren (t_v i₂) gelegt und so die Anordnung in Gang gesetzt wird.

4. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Startschalter (J₁) mit dem Einschalter (s₂) mechanisch in geeigneter Weise gekoppelt wird.

5. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter Einsparung eines besonderen Startschalters der Begrenzungswiderstand (V₁) fest an die Basis einer der beiden Transistoren gelegt wird.

6. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kernmaterial für den Transformator gesintertes Eisenoxyd mit oder ohne Luftspalt verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
AIEE Transactions, 1955, Part I, S. 115, 323, 493; Electronics, Juli 1953, S. 171.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 009 677/207 11.60