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Anordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung, deren Frequenz von
Schwankungen der Belastung und der Versorgungsspannung weitgehend unabhängig ist
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung aus einer
Gleichspannung unter Verwendung von rückgekoppelten Transistoren, an deren Ausgangskreis
eine Belastung angeschlossen ist. Der Hauptzweck der Erfindung besteht in der Schaffung
einer Anordnung, bei der die Frequenz der erzeugten Wechselspannung im wesentlichen
unabhängig von eventuellen Schwankungen des entnommenen Belastungsstroms ist.
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Anordnungen dieser Art, die häufig als Umwandler zwischen Gleich-
und Wechselspannung oder zwischen zwei Gleichspannungen Verwendung finden, können
mit Spannungs- oder mit Stromrückkopplung versehen sein. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 die Schaltung eines bekannten spannungsrückgekoppelten Umwandlers. Er umfaßt
zwei Transistoren 1 und 2 und einen Transformator 3, wobei die Kollektoren der Transistoren
mit je einem Ende der Primärwicklung 4 des Transformators verbunden sind. Zwischen
einer Mittelanzapfung der Primärwicklung und dem Verbindungspunkt der beiden Transistoremitter
liegt eine Spannungsquelle, deren positiver Pol mit den Transistoremittern und deren
negativer Pol mit der Mittelanzapfung verbunden ist, wobei davon ausgegangen wurde,
daß der Transistor vom pnp-Typ ist. Eine zweite Wicklung 5 des Transformators 3
liegt zwischen den Basiselektroden der beiden Transistoren, wobei eine Mittelanzapfung
dieser Wicklung über einen Widerstand 6 in Verbindung mit den Emittern steht. Über
eine dritte Wicklung 7 kann eine Wechselspannung einer Belastung 8 zugeführt werden.
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Diese bekannte Anordnung arbeitet wie folgt: Es sei angenommen, daß
der Transistor 1 zu einem gewissen Zeitpunkt durchlässig ist. Dabei wird in der
Wicklung 5 eine Spannung solcher Richtung induziert, daß im Transistor 1 ein Basisstrom
fließt von solcher Größe, daß der Transistor den Sättigungszustand erreicht. Der
Kollektorstrom des Transistors 1 richtet sich nach dem Strom durch die Belastung
8 und dem Magnetisierungsstrom, der im Transformator 3 entsteht. Dieser Strom wird
als Funktion der Zeit mit einer Geschwindigkeit zunehmen, die durch den Scheinwiderstand
des Transformators bestimmt ist. Der Basisstrom wird jedoch die ganze Zeit hindurch
annähernd konstant sein.
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Der Kollektorstrom steigt somit im Vergleich zum Basisstrom, und wenn
das Verhältnis zwischen Kollektor- und Basisstrom das Stromverstärkungsmaß des Transistors
erreicht hat, setzt eine Abnahme des ; Kollektorstroms ein. Im Transformator wird
dann eine Spannung entgegengesetzter Richtung induziert, wodurch der Transistor
1 gesperrt und der Transistor 2 durchlässig gemacht wird. Dieser Vorgang wiederholt
sich danach periodisch und erzeugt eine Wechselspannung über die Wicklung 4.
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Aus dem oben Angeführten geht hervor, daß die Frequenz der erzeugten
Wechselspannung teils durch den Strom der Belastung 8, teils auch durch den Scheinwiderstand
des Transformators bestimmt wird. Der Umwandler wird also von der Belastung abhängig.
Außerdem ist der Wirkungsgrad schlecht, da die in der Wicklung 5 induzierte Spannung
immer vergleichsweise groß gewählt werden muß, damit eine gute Arbeitsweise des
Umwandlers sichergestellt wird. Fig. 2 zeigt eine ebenfalls bekannte Schaltung für
einen mit Stromrückkopplung arbeitenden Umwandler. Ähnlich wie bei Fig.l besitzt
der Umwandler zwei Transistoren 1 und 2 und einen Transformator 3. In Reihe mit
dessen Zweitwicklung 7 und Belastung 8 wird über die Leiter 9 und 10 der Strom für
die beiden Basiselektroden der Transistoren entnommen. Außerdem liegt die Emitter-Basis-Strecke
jedes Transistors im Nebenschluß zu einer Diode 11 bzw. 12, deren Durchlaßrichtung
entgegengesetzt zu der genannten Strecke ist, so daß der Basisstrom des
Transistors
1 durch die Diode 12 und der des Transistors 2 durch die Diode 11 hindurchgehen
kann.
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Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist im Wesentlichen die gleiche,
wie die der Anordnung nach Fig. 1, jedoch mit dem Unterschied, daß der Basisstrom
gleich dem Belastungsstrom ist. Die Frequenz der erzeugten Wechselspannung ist auch
bei dieser Anordnung von der Größe der Belastung und dem Scheinwiderstand des Transformators
abhängig. Der Wirkungsgrad wird jedoch dadurch verbessert, daß die Spannung des
Basiskreises gleich der Basisspannung jedes Transistors ist.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung
mittels zweier rückgekoppelter, im Gegentakt arbeitender Transistoren, an deren
Ausgangskreis eine Belastung angeschlossen ist, wobei ein dem Belastungsstrom proportionaler
Strom als Steuerstrom zu den Transistoren zurückgeführt wird, und zwischen den Punkten,
an denen der Steuerstrom den Transistoren zugeführt wird, eine Induktanz liegt,
und bei der der zurückgeführte Steuerstrom zumindest eine solche Größe hat, daß
der im Augenblick durchlässige Transistor den Sättigungszustand erreicht. Die Erfindung
ist durch eine derartige Ausbildung der Induktanz gekennzeichnet, daß die Magnetisierungskennlinie
B = f (n - 1) in ihrem Verlauf geometrisch ähnlich ist mit der Kennlinie
über die Abhängigkeit der Basisspannung jedes Transistors von dem Basisstrom u$
= f (iB). Damit wird die erzeugte Wechselspannung in ihrer Frequenz im wesentlichen
unabhängig von Schwankungen der Belastung oder der zugeführten Gleichspannung.
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Die Fig. 3 und 8 bis 11 der Zeichnung zeigen verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung. Fig. 4 zeigt ein äquivalentes Schaltbild für eine zur Anordnung nach
Fig. 3 gehörende Einzelheit. Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen Kurven zur Erläuterung der
Funktion der Anordnung nach Fig. 3.
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Bei der Anordnung nach Fig. 3 sind die Transistoren 1 und 2 so geschaltet,
daß die Emitter untereinander verbunden sind, wobei die Kollektoren mit je einem
Ende der Primärwicklung 4 des Transformators 3 in Verbindung stehen. Eine Spannungsquelle
liegt in der vorgenannten Weise zwischen der Mittelanzapfung der Erstwicklung 4
und den untereinander verbundenen Emittern. In Reihe mit der Sekundärwicklung 7
des Transformators 3 und der Belastung 8 wird über die Leiter 9 und 10 ein Steuerstrom
den Transistoren zugeführt. Zu diesem Zweck stehen die Leiter 9 und 10 mit je einem
Ende einer Primärwicklung 13 eines Transformators 14 in Verbindung. Die beiden Enden
der Sekundärwicklung 15 sind mit je einer Basiselektrode eines Transistors verbunden.
Außerdem ist die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung mit dem Verbindungspunkt der
beiden Emitter verbunden, so daß sich für jeden Transistor ein geschlossener Stromkreis
für den Basisstrom ergibt. Wie bei den vorgenannten Anordnungen sind die Transformatoren
so geschaltet, daß, wenn der Transistor 1 durchlässig ist, ein Basisstrom nur im
Transistor 1 fließt, und wenn der Transistor 2 durchlässig ist, ein Basisstrom nur
durch den Transistor 2 fließt.
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An Hand der Fig. 4 wird im folgenden erläutert, wie die erstrebte
Unabhängigkeit der Frequenz der erzeugten Wechselspannung vom Belastungsstrom erreicht
wird. Die Figur zeigt das äquivalente Schaltbild des Transformators 14, wobei R13
den Wirkwiderstand der Primärwicklung 13 und R" den von der Primärseite aus gesehenen
äquivalenten Wirkwiderstand der Sekundärwicklung 15 bezeichnet. L ist die Induktanz
des Transformators 14 und D' der zur Primärseite hinüber transformierte Spannungsabfall
des Basiskreises eines Transistoren.
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Wie aus der Fig. 4 ersichtlich, teilt sich der in Reihe mit der Sekundärwicklung
7 und der Belastung 8 entnommene Strom im Transformator 14 in zwei Komponenten auf,
von denen die erste den Basisstrom für den im Augenblick durchlässigen Transistor
und die zweite den Magnetisierungsstrom der Induktanz L des Transformators 14 bildet.
Die Magnetisierungskennlinie dieses Transformators mag einen Verlauf aufweisen,
wie in der Fig. 5 gezeigt, wo die magnetische Flußdichte B in Abhängigkeit von der
Amperewindungszahl n1 dargestellt ist. Wenn man annimmt, daß der Widerstand R, klein
ist, wird die über dem Transformator entstehende Spannung durch die Basisspannung
des Transistors bestimmt. In der Fig. 6 ist die Abhängigkeit zwischen Basisspannung
UB und Basisstrom ij, für einen der Transistoren dargestellt. Diese Kennlinie
hat im großen und ganzen denselben Verlauf wie die Magnetisierungskennlinie des
Transformators nach Fig. 5.
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In der Fig. 7 ist der zeitliche Verlauf der Basisströme der beiden
Transistoren dargestellt, wobei die obere Hälfte der Kurve den Basisstrom des Transistors
2 darstellt. Wie ersichtlich, hat der Basisstrom während des größten Teils jeder
Halbperiode einen konstanten Wert, der durch den Kollektorstrom bestimmt ist. Es
wird dabei angenommen, daß der Transformator 3 einen großen Scheinwiderstand hat
sowie daß die sekundäre Belastung 8 im wesentlichen ein Wirkwiderstand ist. Am Ende
Jeder Halbperiode entsteht im Transformator 14 ein Magnetisierungsstrom,
der eine Abnahme des Basisstroms herbeiführt. Wenn nun angenommen wird, daß der
rückgekoppelte Strom z. B. das fünffache dessen beträgt, was zur Aussteuerung eines
Transistors erforderlich ist, muß also der Magnetisierungsstrom am Ende der Halbperiode
vier Fünftel des rückgekoppelten Stroms und der Basisstrom nur ein Fünftel betragen.
Dies bedeutet, daß der größte Teil des rückgekoppelten Stroms in einen Magnetisierungsstrom
umgesetzt wird. Des weiteren ist ersichtlich, daß einer größeren Belastung eine
kleinere Zunahme der Spannung über dem Transformator 14 nach Fig. 6 entspricht.
Die Flußdichte B des Transformators muß dann auch zunehmen, da der Magnetisierungsstrom
gemäß Fig.5 zunimmt. Wenn die Anordnung so bemessen wird, daß die Neigung der beiden
Kennlinien nach Fig. 5 und 6 gleich groß ist, ist ersichtlich, daß die Frequenz
der erzeugten Wechselspannung annähernd unabhängig von etwaigen Belastungsschwankungen
wird. Die Anordnung arbeitet in gleicher Weise bei einer Zunahme der zugeführten
Gleichspannung, wodurch somit die Frequenz der erzeugten Spannung sowohl von der
Belastung wie auch von der Versorgungsspannung unabhängig ist.
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Es kann auch von Vorteil sein, daß die Frequenz der erzeugten Wechselspannung
von der Temperatur unabhängig sei. Für einen üblichen Transistor gilt, daß die Basisspannung
bei abnehmender Temperatur zunimmt und umgekehrt. Zum Ausgleich kann im Kern des
Transformators 14 ein Material verwendet werden, dessen maximale Flußdichte B"""
bei abnehmender
Temperatur zunimmt. Diese Eigenschaft kennzeichnet
die modernen Oxydkerne, die sich daher für diese Anwendung besonders eignen.
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Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ergibt somit einen Umwandler
mit guter Frequenzstabilität gegenüber Schwankungen sowohl der Versorgungsspannung
wie der Belastung und der Temperatur bei gutem Wirkungsgrad. Es sei ferner darauf
hingewiesen, daß der Transformator 3 im Hinblick auf die Transformatorverluste in
passender Weise bemessen werden kann.
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Die Fig. 8 bis 11 zeigen weitere Ausführungsformen der Erfindung.
Bei den Anordnungen nach Fig. 8 und 9 liegt eine Diode 16 zwischen der Mittelanzapfung
der Sekundärwicklung 15 und dem Verbindungspunkt der Emitter, wobei der Mittelpunkt
über einen hochohmigen Widerstand 17 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle in
Verbindung steht. Der Zweck dieser Anordnung ist die Sicherstellung des Anlaufens
des Umwandlers. Die Diode 16 weist eine Spannungsabhängigkeit derselben Art auf
wie die Emitter-Basis-Strecke des Transistoren, so daß sie keinen Einfluß auf die
gute Arbeitsweise des Umwandlers hat. Bei diesen Ausführungsformen ist die Primärwicklung
des Transformators 14 auf zwei Wicklungshälften 13' und 13" aufgeteilt worden. Außerdem
ist in Fig. 9 angedeutet worden, wie die mit 8' und 8" bezeichnete Belastung ohne
Zwischenschaltung eines Transformators an den Transistorenausgang angeschlossen
werden kann.
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Bei der Ausführungsform nach Fig.10 besteht die zwischen den Zuführungspunkten
des Steuerstroms zu den Transistoren 1 und 2 liegende Induktanz aus einem Spartransformator
18, die eine Mehrzahl von Anzapfungen besitzen kann, so daß diese entweder aus der
ganzen oder aus einem Teil der vollständigen Wicklung bestehen kann.
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Es wurde bisher angenommen, daß die Transistoren in Emitterschaltung
betrieben werden, wobei die Emitter als gemeinsame Elektroden für den Eingangs-
und den Ausgangskreis dienen. In sämtlichen Fällen können jedoch auch die beiden
anderen grundsätzlichen Transistorschaltarten verwendet werden. Fig. 11 zeigt als
Beispiel eine Anordnung unter Verwendung der Basisschaltung. Der Eingangskreis jedes
Transistors umfaßt somit den Emitter und die Basiselektrode, während der Ausgangskreis
zwischen Kollektor und Basiselektrode liegt. Im Übrigen stimmt die Schaltung grundsätzlich
mit der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform überein.