DE1134108B - Schaltungsanordnung zum Steuern eines durch eine Last fliessenden Stromes mit Hilfe von Schalttransistoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Anordnungen zum Steuern des Mittelwertes eines durch eine Last fließenden Stromes mit Hilfe von Transistoren, bei denen die Transistoren periodisch ein- und ausgeschaltet werden und der Mittelwert des Gleichstromes durch das Tastverhältnis der Steuerspannung, also der Länge der Impulse zur Periodendauer bestimmt ist.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die über die Basiselektrode und eine angrenzende Elektrode, vorzugsweise die Emitterelektrode, verlaufende Steuerstrecke eines Transistors am Ausgang eines Magnetverstärkers liegt, dessen Arbeitswicklungen durch eine Wechselstromquelle mit rechteckförmiger Spannungswellenform gespeist sind und an dessen Steuerwicklung eine Signalspannung liegt, deren Betrag das Verhältnis von Durchlaß- zu Sperrperiode der Schaltstrecke des Transistors bestimmt.

Die Fig. 1 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 1 ist ein Schaltbild eines Steuersystems;

Fig. 2 ist ein Schaltbild eines Steuersystems, bei dem zwei Transistoren abwechselnd leitfähig werden;

Fig. 3 ist ein Schaltbild einer Abwandlung des Steuersystems nach Fig. 1, wobei der Ausgangsstrom ein sinusförmiger Wechselstrom ist;

Fig. 4 ist ein Schaltbild einer weiteren Abwandlung des Steuersystems nach Fig. 1, wobei der Ausgangsstrom ein einseitig gerichteter Gleichstrom ist;

Fig. 5 ist ein Schaltbild einer Abwandlung des Steuersystems nach Fig. 1, wobei der Ausgangsstroni ein Gleichstrom beider Richtungen sein kann.

Das Schaltsystem nach Fig. 1 umfaßt eine Spannungsquelle 10, zwei Magnetverstärker 11 und 12, zwei Transistoren 13 und 14 und die erforderlichen Schaltverbindungen.

Die Spannungsquelle 10 kann ein Transistorwechselrichter oder eine andere geeignete Quelle sein, die eine Spannung mit rechteckiger Wellenform liefert. Einrichtungen dieser Art sind an sich bekannt.

Die Magnetverstärker 11 und 12 können von irgendeinem üblichen Typ sein, wie er zur Erzielung einer vorbestimmten Verstärkung bei Steuer- oder Regelschaltungen verwendet wird. Die Verstärkung der Magnetverstärker wird im allgemeinen von dem Zweck abhängen, für den sie entworfen sind.

Der Magnetverstärker 11 besitzt eine Steuerwicklung 15 und eine Arbeitswicklung 16, der Magnetverstärker 12 eine Steuerwicklung 17 und eine Arbeitswicklung 18.

Die Transistoren 13 und 14 können von beliebiger Art sein und n-p-n- oder p-n-p-Übergänge besitzen.

Schaltungsanordnung zum Steuern

eines durch eine Last fließenden Stromes

mit Hilfe von Schalttransistoren

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 22. Juni 1956 (Nr. 593 200)

Howard William Collins, Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.), ist aus Erfinder genannt worden

Der Transistor 13 hat eine Basis 19, einen Emitter 20 und einen Kollektor 21; der Transistor 14 hat eine Basis 22, einen Emitter 23 und einen Kollektor 24.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwischen der Spannungsquelle 10 und den Magnetverstärkern 11 und 12 ein Transformator 25 angeordnet, der eine Mittelanzapfung besitzt. Die Primärwicklung 26 des Transformators 25 ist mit der Spannungsquelle 10 verbunden. Die Sekundärwicklung 27 ist mit den Arbeitswicklungen der Magnetverstärker 11 bzw. 12 in Reihe geschaltet. Die Arbeitswicklungen 16 und 18 sind an die gegenüberliegenden Seiten der Sekundärwicklung 27 angeschlossen. Die Größe des Transformators 25 und das Windungsverhältnis der Primär- und Sekundärwicklungen hängen von dem Zweck ab, für den die Einrichtung bestimmt ist.

Die Steuerwicklungen 15 und 17 der Magnetverstärker 11 bzw. 12 sind miteinander in Reihe

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geschaltet und mit den Anschlüssen 28 und 29 einer Signalquelle verbunden. Ein Schaltsystem der vorliegenden Art kann beispielsweise zur Regelung der Heizung eines elektrischen Ofens verwendet werden; das Signal würde dann etwa von einem Thermometer oder Pyrometer, das die Temperatur des Ofens mißt, geliefert werden. Die Last 30 kann beispielsweise ein Motor zur Regelung eines Ofens oder einer Maschine sein, der mit einer unabhängigen Spannungsquelle 31 über die Schalttransistoren 13 und 14 verbunden ist.

Zur Festlegung der Stromrichtung zwischen den Magnetverstärkern 11, und 12 und den Schalttransistoren 13 bzw. 14 sind Ventile 32 und 33 vorgesehen. Das Ventil 32 ist in der Leitung angeordnet,

• Leiter 46 an den Leiter 43, der die Emitter 20 und 23 der Transistoren 13 bzw. 14 miteinander verbindet.
Die Frequenz der Spannungsquelle 10 kann zwisehen 60 Hz oder weniger und 10 kHz und mehr liegen. Versuche haben gezeigt, daß Frequenzen zwischen 1 und 5 kHz vorzuziehen sind. Die zu wählende Frequenz hängt erheblich von den Transistoreigenschaften ab.

Es sei angenommen, daß die Spannungsquelle 10 eine Spannung mit rechteckiger Wellenform und vorbestimmter Frequenz an den Transformator 25 liefert. Dann fließt während einer Halbperiode, beispielsweise der positiven, ein Strom von der Sekun-

verstärkers 11 liegt. Das Ventil 33 ist in der Leitung angeordnet, die zwischen der Basis 22 des Transistors 14 und der Arbeitswicklung 18 des Magnetverstärkers 12 Hegt.

Die Mittelanzapfung des Transformators 25 ist an die Verbindungsleitung zwischen den Emittern 20 und 24 der Schalttransistoren 13 bzw. 14 angeschlossen.

die zwischen der Transistorbasis 19 und dem einen 15 därwicklung 27 über die Leiter 44, 46 und 43 zum Anschluß der Arbeitswicklung 16 des Magnet- Emitter 20, dann durch die Basis 19, den Leiter 39,

das Ventil 32 und die Arbeitswicklung 16 des Magnetverstärkers 11 zurück zur Sekundärwicklung des Transformators 25. Dabei bewirkt dieser Strom, daß Ladungsträger in den Transistor 13 fließen und diesen leitfähig machen.

Während der gleichen positiven Halbperiode fließt ein Strom von der Sekundärwicklung 27 des Transformators 25 durch die Leiter 44, 46 und 43, den Es ist bekannt, daß in Schaltungen wie der 25 Emitter des Transistors 14, dann durch die Leiter 41 beschriebenen nach Unterbrechung der Leistungs- und 40, das Ventil 32 und die Arbeitswicklung 16 des kreise durch Sperrung der Transistoren 13 und 14 Magnetverstärkers 11 zurück zur Sekundärwicklung weiterhin ein kleiner Magnetisierungsstrom fließt, so des Transformators.

daß in den Transistoren infolge hoher Verlust- In der ersten positiven Halbwelle werden daher

leistung eine Wärmestauung eintreten kann. Diese 30 beide Transistoren 13 und 14 auf hohe Leitfähigkeit kann zu einem thermischen Durchschlag der Tran- (Sättigung) gesteuert. Dadurch werden zwei Stromsistoren führen. Damit die völlige Sperrung der kreise geschlossen, die von der Spannungsquelle 31 Transistoren 13 und 14 gesichert ist, wenn sie infolge ausgehen. Der eine Stromkreis erstreckt sich von dem der Wirkungsweise des Systems im wesentlichen positiven Anschluß der Spannungsquelle 31 über den nichtleitend geworden sind, sind nichtlineare Ein- 35 Leiter 43, den Emitter 20, die Basis 19 und den richtungen vorgesehen, die mit den Transistoren 13 Kollektor 21 des Transistors 13, den Leiter 47 und und 14 verbunden sind. die Last 30 zurück zur Spannungsquelle. Der andere

Jede dieser Einrichtungen umfaßt ein Ventil und Stromkreis verläuft von dem positiven Anschluß der einen Widerstand; sie ist so geschaltet, daß sie kleine Spannungsquelle 31 über den Leiter 43, den Emitter Ströme ohne merklichen Spannungsabfall durchläßt. 40 24, die Basis 22, den Kollektor 23, den Leiter 48 und Im Laufe der folgenden Beschreibung könnte der über die Last 30 zurück zur Spannungsquelle.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß in beiden Stromkreisen der Strom die Last 30 im gleichen Sinne durchfließt. Da beide Transistoren 13 und 14 auf Durchlaß gesteuert werden, ist die Verstärkung größer als in einer Schaltung, in der nur ein Transistor gezündet wird.

In der nächsten Halb welle, z. B. der negativen, fließt ein Strom von der Sekundärwicklung 27 des tang 35 umfaßt ein Ventil 38 und den Widerstand 37, 50 Transformators 25 über die Leiter 44,46 und 43 zum der auch der nichtlinearen Einrichtung 34 angehört. Emitter 20 des Transistors 13 und weiter durch die Die Ventile 36 und 38 hegen mit entgegengesetzten Basis 19, die Leiter 39 und 40, das Ventil 33 und Durchlaßrichtungen zwischen den Leitern 39 und 40 die Arbeitswicklung 18 des Magnetverstärkers 12 in Reihe. Der Leiter 39 verbindet die Basis des Tran- zurück zum Transformator. Dieser Strom macht den sistors 13 mit der Arbeitswicklung 16 des Magnet- 55 Transistor 13 leitfähig. Zur gleichen Zeit ergibt sich Verstärkers 11; der Leiter 40 verbindet die Basis 22 ein weiterer Stromkreis, der von der Transformatordes Transistors 14 mit der Arbeitswicklung 18 des wicklung 27 über die Leiter 44, 46 und 43 zum Magnetverstärkers 12. Der Widerstand 37 ist mit dem Emitter 24 des Transistors 14 verläuft, der dadurch Ventil 36 durch den Leiter 40 und mit dem Ventil 38 - leitfähig wird, dann über die Basis 22, das Ventil 33 durch den Leiter 41 verbunden. Eine Gleichspan- 60 und die Arbeitswicklung 18 des Magnetverstärkers 12 nungsquelle 42 liegt zwischen dem Widerstand 37 zurück zum Transformator. Wieder sind beide Tran- und dem Leiter 43, der die Emitter 20 und 24 der sistoren 13 und 14 leitfähig geworden, so daß wäh-

Eindruck entstehen, daß die elektrischen Ströme in Sperrichtung durch die nichtlinearen Einrichtungen fließen; tatsächlich wird jedoch nur ein Strom in Vorwärtsrichtung vermindert.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Steuersystem sind zwei nichtlineare Einrichtungen 34 und 35 verwendet. Die nichtlineare Einrichtung 34 umfaßt ein Ventil 36 und einen Widerstand 37. Die nichtlineare Einrich-

Transistoren 13 bzw. 14 verbindet. Der positive Anschluß der Spannungsquelle 42 ist mit dem Widerstand 37 verbunden.

Die Mittelanzapfung des Transformators 25 ist durch den Leiter 44 an den Leiter 45 angeschlossen, der die Ventile 36 und 38 verbindet, und durch den

rend der negativen Halbperiode zwei Stromkreise über die Last durch die Transistoren geschlossen werden. Diese Stromkreise sind die gleichen, die oben beschrieben wurden.

Sowohl vor wie nach den Arbeitsintervallen der Magnetverstärker 11 und 12 fließen Magnetisierungs-

ströme durch die Arbeitswicklungen 16 bzw. 18, die die gleiche Richtung haben wie die Arbeitsströme, die die Transistoren 13 und 14 leitfähig machen. Würden diese Magnetisierungsströme über die Transistoren fließen, so wurden sie eine recht hohe Verlustleistung und eine entsprechende Erwärmung der Transistoren verursachen. In dem Maße, wie die Temperatur der Transistoren steigt, erhöhen sich auch der Strom und die Verlustleistung, so daß sich ein thermischer Durchschlag ergeben kann.

Zum Schutz der Transistoren 13 und 14 sind die nichtlinearen Anordnungen 34 und 35 vorgesehen. Ihr Wesen besteht darin, daß parallel zur Emitter-Basis-Strecke der Transistoren Ventile 36 bzw. 38

tial besitzen als die Emitter 20 bzw. 23. Der Emitter-Basis-Strom der Transistoren ist daher, solange die Arbeitswicklungen der Magnetverstärker nur einen

Wenn das System so eingestellt ist, daß es breite Impulse liefert, d. h. mit einer breiten Rechteckwelle arbeitet, ergibt sich ein großer mittlerer Ausgangsstrom. Wenn das System so eingestellt ist, daß es schmale Impulse liefert, d. h. mit einer schmalen Rechteckwelle arbeitet, wird ein niedriger mittlerer Ausgangsstrom erhalten. Die Breite der gelieferten Ausgangsimpulse kann innerhalb weiter Grenzen gesteuert werden. Zwischen dem Ausgangsstrom und ίο dem Eingangssignal der Magnetverstärker besteht eine vorbestimmte lineare Beziehung, da die Spannungsquelle 10 eine Spannung mit rechteckiger Wellenform liefert.

In der Schaltung nach Fig. 2, die mit der Schaltung liegen, die aus der Spannungsquelle 42 über den 15 nach Fig. 1 im wesentlichen übereinstimmt, umfaßt Widerstand 37, die Leiter 40 bzw. 41 und den Leiter die nichtlineare Einrichtung 34 ein Ventil 36 und 46 in Flußrichtung bis etwa zur Höhe des Magneti- einen Widerstand 37'. Die nichtlineare Einrichtung 35 sierungsstromes vorbelastet sind. Die Ventile 36 bzw. umfaßt ein Ventil 38 und den Widerstand 37". Der 38 sind daher bis zur Höhe der Vorbelastung in Widerstand 37' liegt zwischen dem positiven An-Sperrichtung durchlässig, so daß sie den Magneti- 20 Schluß der Spannungsquelle 42 und dem Leiter 39, sierungsstrom an dem betreffenden Transistor vorbei- der die Basis 19 mit dem Ventil 32 verbindet. Der führen können. Gleichzeitig wird den Basen 19 und Widerstand 37" liegt zwischen dem positiven An-22 der Transistoren 13 bzw. 14 durch die Quelle 42 Schluß der Spannungsquelle 42 und dem Leiter, der eine positive Sperrvorspannung aufgeprägt, so daß die Basis 22 des Transistors 14 mit dem Ventil 33 außerhalb der Arbeitsintervalle der Magnetverstärker 25 verbindet.

11 bzw. 12 die Basen 19 bzw. 22 ein höheres Poten- Beim Betriebe dieser Ausführungsform der Erfin

dung fließt wahrend der ersten (positiven) Halbwelle ein Strom von der Sekundärwicklung 27 des Transformators 25 durch die Leiter 44, 46 und 43 zum

Magnetisierungsstrom führen, unterbrochen. Die 30 Emitter 20, dann durch die Basis 19, den Leiter 39, Transistoren sperren dann den Stromfluß zur Last 30 das Ventil 32 und die Arbeitswicklung 16 zurück zur völlig ab. Sekundärwicklung des Transformators. Dieser Strom

Die durch die Magnetverstärker bewirkte Verstär- zündet den Transistor 13. Bei dieser Ausführungskung kann beim Entwurf der Verstärker vorbe- form der Erfindung kann von der Basis 22 des Transtimmt werden. Es ist bekannt, daß der Verstärkungs- 35 sistors 14 kein Strom durch den Leiter 40 und den

Leiter 39 fließen, wie es bei der Schaltung nach Fig. 1 möglich war. Demnach wird in der ersten (positiven) Halbperiode nur ein Transistor (13) gezündet.

In der zweiten (negativen) Halbperiode fließt ein Strom von der Sekundärwicklung des Transformators durch die Leiter 44, 46 und 43 zum Emitter 24 des Transistors 14, dann zur Basis 22, zum Ventil 33, zur Arbeitswicklung 18 des Magnetverstärkers 12 und zurück zur Sekundärwicklung des Transformators.

durch die Steuerwicklungen 15 und 17 der Magnet- 45 Man erkennt, daß in der negativen Halbperiode inverstärker 11 bzw. 12. Der Signalstromkreis erstreckt folge des Vorhandenseins der Widerstände 37' und sich von dem positiven Anschluß 29 über den Wider- 37" der nichtlinearen Einrichtungen 34 bzw. 35 kein stand 49, die Steuerwicklung 17, den Leiter 50 und Strom durch den Transistor 13 fließen kann, wie es die Steuerwicklung 15 zurück zum negativen An- bei der Ausführungsform nach Fig. 1 möglich war. Es Schluß 28. Der Widerstand 49 dient zur Strombegren- 50 wird also wieder nur ein Transistor (14) gezündet, zung. In Fig. 3 ist ein Schaltsystem dargestellt, das auf

Beim Betriebe des Systems werden die Magnetver- Wechselstromsignale anspricht. Bei dieser Ausfühstärker mit einer Spannung von rechteckiger Wellen- rungsform ist wie bei der Ausführungsform nach form erregt. Dies bewirkt, daß an die Last 30 ein Fig. 1 eine mit 51 bezeichnete Spannungsquelle vorimpulsförmiger Ausgangsstrom geliefert wird. Es ist 55 gesehen, die eine Hochfrequenzspannung mit rechtdaher auf diese Weise möglich, den Ausgang der eckiger Wellenform liefert.

Schalttransistoren linear durch Impulsmodulation zu Es ist ferner ein Transformator 52 vorgesehen,

steuern. Die Breite der Ausgangsimpulse kann durch dessen Primärwicklung mit der Spannungsquelle 51 den Signalstrom gesteuert werden, der durch die verbunden ist und der zwei mit Mittelanzapfung ver-Steuerwicklungen der Magnetverstärker fließt. Die 60 sehene Sekundärwicklungen 53 und 54 aufweist. Die Leistungsverstärkung, die erreicht werden soll, kann, Frequenz der Speisespannung des Transformators 52

faktor in weiten Grenzen verändert werden kann. Die durch die Transistoren 13 und 14 bewirkte Verstärkung kann ebenfalls vorbestimmt werden; auch dieser Verstärkungsfaktor ist in weiten Grenzen veränderlich.

Wie bereits bemerkt wurde, kann an den Anschlüssen 28 und 29 ein Signal aufgeprägt werden. Dieses Signal ist üblicherweise ein Gleichstromsignal, kann aber auch ein Wechselstromsignal sein; es fließt

da sowohl Magnetverstärker als auch Transistoren verwendet sind, in weiten Grenzen geändert werden. Die Schaltvorgänge sind sowohl beim Schließen wie beim Öffnen im wesentlichen vollständig, und die Geschwindigkeit, mit der der Stromfluß durch die Transistoren geschlossen oder unterbrochen werden kann, ist sehr hoch.

hängt von den zu erfüllenden Bedingungen ab. Für bestimmte Zwecke hat sich eine Frequenz in der Größenordnung von 10 kHz als befriedigend erwiesen.

Es werden zwei Magnetverstärker 55 und 56 verwendet. Jeder Magnetverstärker hat zwei Kerne, der Magnetverstärker 55 die Kerne 57 und 58 und der Verstärker 56 die Kerne 59 und 60. Jeder Kern trägt

eine Arbeitswicklung, eine Steuerwicklung und eine Vormagnetisierungswicklung. Der Magnetverstärker

55 hat zwei Arbeitswicklungen 61 und 62 auf den Kernen 57 bzw. 58. Diese Arbeitswicklungen 61 und 62 sind mit den äußeren Anschlüssen der Sekundärwicklung 53 des Transformators 52 verbunden. Der Magnetverstärker 56 hat zwei Arbeitswicklungen 63 und 64, die mit den äußeren Anschlüssen der Sekundärwicklung 54 des Transformators 52 verbunden und auf den Kernen 59 bzw. 60 angeordnet sind.

Die Kerne 57, 58, 59 und 60 tragen Vormagnetisierungswicklungen 65, 66, 67 bzw. 68. Diese Vormagnetisierungswicklungen werden aus einer geeigneten Gleichstromquelle gespeist und liegen sämtlich in Reihe zwischen den Anschlüssen 69 und 70. Die angelegte Spannung hängt im Einzelfall von den Erfordernissen des Systems ab und ist bestimmt durch die durchzuführenden Funktionen. Der Stromfluß in den Vormagnetisierungswicklungen wird durch einen Widerstand 71 auf einen vorbestimmten Wert begrenzt.

Die Kerne 57, 58, 59 und 60 sind mit Steuerwicklungen 72, 73, 74 bzw. 75 versehen. Diese Steuerwicklungen liegen in Reihe und erhalten an den Anschlüssen 76 und 77 den Signalstrom. Der Widerstand 78 liegt in Reihe mit den Steuerwicklungen.

Die Arbeitswicklungen 61 und 62 des Magnetverstärkers 55 sind über die Ventile 79 und 80 mit den Basen zweier Transistoren 81 bzw. 84 verbunden. Die Arbeitswicklungen 63 und 64 des Magnetverstärkers

56 sind über Ventile 82 bzw. 83 mit den Basen der Transistoren verbunden. Mit den Transistoren 81 und 84 ist eine geeignete Spannungsquelle 85 verbunden. Die Transistoren 81 und 84 liegen an einem Ausgangstransformator mit Mittelabgriff, der mit 86 bezeichnet ist.

Zur Verbesserung der Steuerung der Transistoren 81 und 84 sind zwei nichtlineare Einrichtungen vorgesehen, die mit 87 und 88 bezeichnet sind. Die nichtlineare Einrichtung 87 umfaßt ein Ventil 89 und einen Widerstand 90. Die nichtlineare Einrichtung 88 umfaßt ein Ventil 91 und den gleichen Widerstand 90, der auch zur nichtlinearen Einrichtung 87 gehört. Eine Gleichstromquelle 92 hat die Aufgabe, die beiden nichtlinearen Einrichtungen 87 und 88 vorzubelasten. Die Wirkungsweise der nichtlinearen Einrichtungen wurde oben bereits beschrieben.

Es sei angenommen, daß an den Anschlüssen 69 und 70 eine bestimmte Vormagnetisierungsspannung liegt, daß die Spannungsquelle 51 in Betrieb ist und daß die Anschlüsse 76 und 77 mit einer Signalquelle verbunden sind, so daß ein Signalwechselstrom fließt.

Für den betrachteten Zeitpunkt sei ferner angenommen, daß die an den Anschlüssen 76 und 77 liegende Steuerspannung eine bestimmte vorgegebene Polarität hat. Dann fließt in der positiven Halbperiode der Spannungsquelle 51 ein Strom von der Sekundärwicklung 53 des Transformators 52 durch die Leiter 93, 94 und 95 bzw. 100 zu den Emittern der Transistoren 81 bzw. 84 und weiter durch die Leiter 96 bzw. 101, das Ventil 79 und die Arbeitswicklung 61 des Magnetverstärkers 55 zurück zum Transformator. Dieser Strom macht die Transistoren 81 und 84 leitfähig. Infolgedessen fließt ein Strom von der Spannungsquelle 85 durch den Leiter 95, den Transistor 81, den Leiter 98 und die obere Hälfte der Primärwicklung des Transformators 86 zurück zur Spannungsquelle. Gleichzeitig fließt ein weiterer Strom von der Spannungsquelle 85 durch den Leiter 100, den Transistor 84, den Leiter 102 und die untere Hälfte der Primärwicklung des Transformators 86 zurück zur Spannungsquelle. Die beiden Hälften der Primärwicklung des Transformators 86 haben einen derartigen Wicklungssinn, daß sich die Wirkungen der über die Transistoren 81 bzw. 84 fließenden Ströme auf den Kern des Transformators 86 addieren.

In der zweiten (negativen) Hälfte der Speisespannung der Spannungsquelle 51 fließt ein Strom von der Sekundärwicklung 53 des Transformators 52 über die Leiter 93, 94, 95 bzw. 100, die Transistoren 81 bzw. 84, die Leiter 96 bzw. 101 und das Ventil 80 zur Arbeitswicklung 62 des Magnetverstärkers 55. Dadurch werden die Transistoren 81 und 84 wiederum gezündet, so daß sich im Leistungskreis die gleichen Verhältnisse ergeben wie während der positiven Halbwelle der Spannung 51.

Bei der angenommenen Polarität der an den Anschlüssen 76 und 77 liegenden Steuerwechselspannung sind die Arbeitswicklungen 63 und 64 des zweiten Magnetverstärkers 56 blockiert. Ändert sich die Polarität der Steuerspannung, so sind die Arbeitswicklungen 61 und 62 des Magnetverstärkers 55 gesperrt, während die Arbeitswicklungen 63 und 64 des Verstärkers 56 wirksam werden. Durch die Arbeitsströme der Wicklungen 63 und 64 werden die Leitfähigkeitszustände der Transistoren 81 und 84 in der gleichen Weise gesteuert, wie es oben unter der Voraussetzung einer anderen Polarität der Steuerspannung geschildert wurde.

Die Primärwicklung des Ausgangstransformators 86 führt bei diesem Ausführungsbeispiel Gleichstromimpulse, deren Breite von den Momentanwerten der an den Anschlüssen 76 und 77 liegenden Steuerspannung abhängt. An der Sekundärwicklung des Transformators 86 wird die Wechselstromkomponente dieses Impulsstromes abgenommen. An die Sekundärwicklung des Transformators 86 ist ein Kondensator 103 angeschlossen, der den Sekundärstrom in eine etwa sinusförmige Wechselstromwelle umformt.

Die nichtlinearen Einrichtungen 87 und 88 wirken mit den Transistoren 81 bzw. 84 zusammen. Außerhalb der Arbeitsintervalle der Magnetverstärker 55 und 56 prägt die nichtlineare Einrichtung 87 der Basis des Transistors 81 eine Spannung auf, die größer ist als die Spannung am Emitter, so daß kein Strom fließt. Dadurch wird der Transistor völlig gesperrt, so daß jede Möglichkeit eines thermischen Durchschlages ausgeschlossen ist, wie es in Verbindung mit der Schaltung nach Fig. 1 erläutert wurde. In der gleichen Weise prägt die nichtlineare Einrichtung 88 der Basis des Transistors 84 eine Spannung auf, die größer ist als die Emitterspannung, mit dem Ergebnis, daß außerhalb der Impulsintervalle der Stromfluß durch den Transistor vollständig unterbrochen ist.

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zum Empfang von Wechselstromsignalen geeignet. Die Signale können innerhalb eines breiten Frequenzbandes verändert werden; am häufigsten wird jedoch eine Frequenz von 50 oder 60 Hz verwendet. Das Signal wirkt in der Weise, daß es die Breite der Impulse steuert, die vom Transformator 86 geliefert werden. Auf diese Weise ist der Ausgang des Transformators 86 linear vom Eingangssignal abhängig.

Bei der Anordnung nach Fig. 4 ist ein Magnetverstärker 105 mit zwei Kernen versehen, von denen jeder eine Arbeitswicklung und eine Steuerwicklung trägt. Der Kern 106 hat eine Steuerwicklung 107 und eine Arbeitswicklung 108; der Kern 109 hat eine Steuerwicklung 110 und eine Arbeitswicklung 111. Der Signalstromkreis verläuft vom Anschluß 112 durch den Widerstand 113, die Steuerwicklungen 107 und 110 und den Leiter 114 zum Anschluß 115.

Die Spannungsquelle 116 liefert eine Spannung mit rechteckiger Wellenform; sie ist mit dem Verbindungsleiter zwischen den Arbeitswicklungen 108 und 111 des Magnetverstärkers und mit dem einen Anschluß der Primärwicklung eines Kopplungstransformators 117 verbunden. Die rechteckige Wellenform der Spannungsquelle verleiht dem Magnetverstärker 105 eine lineare Charakteristik. Im Betriebe verläuft der Stromkreis der Spannungsquelle 116 in der einen Halbwelle durch die Arbeitswicklung 108 des Magnetverstärkers 105, das Ventil 119 und die Primärwicklung 118 des Transformators 117 zurück zur Spannungsquelle. In der nächsten Halbwelle fließt der Strom von der Spannungsquelle 116 durch die Primärwicklung 118, den Leiter 120, das Ventil 121 und die Arbeitswicklung 111 des Magnetverstärkers 105 zurück zur Spannungsquelle 116.

Wenn der Transformator 117 erregt ist, fließt in der ersten Halbwelle ein Strom von der Sekundärwicklung 122 durch den Widerstand 123, den Leiter

124 zum Emitter des Transistors 125, zur Basis des Transistors und über den Leiter 126 zurück zum Transformator. Dieser Strom macht den Transistor

125 leitfähig.

Dann fließt ein Strom von der Spannungsquelle 127 durch den Leiter 124, den Transistor 125, den Leiter 128 und die Last 129 zurück zur Spannungsquelle 127.

Am Ende der Halbwelle ist der Kondensator 130, der parallel zum Widerstand 123 liegt, geladen.

Sobald der in der Wicklung 122 fließende Strom Null erreicht, entlädt sich der Kondensator, so daß er der Basis des Transistors 125 eine positive Spannung aufprägt, die den Transistor 125 blockiert; der Transistor besitzt dann einen so hohen Widerstand, daß ein Anschwellen des Stromes infolge einer thermischen Lawine im Transistor nicht auftreten kann.

In der nächsten Halbwelle fließt ein Strom von der Sekundärwicklung 131 des Transformators 117 durch den Widerstand 123 zum Emitter des Transistors 132. Dieser Strom verursacht den Eintritt von Ladungsträgern in den Transistor, so daß der Transistor leitfähig wird. Es fließt daher ein Strom durch die Basis und den Leiter 133 zurück zum Transformator. Wiederum fließt ein Strom von der Spannungsquelle 127 durch den Transistor 132, den Leiter 134 zur Last 129 und zurück zur Spannungsquelle. Es ist zu bemerken, daß der Strom durch den Transistor 132 die Last in der gleichen Richtung durchfließt wie der Strom des Transistors 125. Die Stromimpulse beider Transistoren fließen daher in der gleichen Richtung durch die Last.

Am Ende der zweiten Halbwelle, also wenn der Strom in der Transformatorwicklung 131 Null erreicht, entlädt sich der Kondensator 130, so daß er der Basis des Transistors 132 eine positive Spannung aufprägt. Der Transistor 132 führt daher keinen Sperrstrom; sein Widerstand wird vielmehr unmittelbar am Ende der zweiten Stromhalbwelle sehr hoch.

Der Transistor wirkt infolgedessen als Schalter, der zunächst einen sehr hohen Strom leitet und dann diesen Strom unterbricht.

Der Signalstrom, der an den Anschlüssen 112 und 115 empfangen wird, steuert die Dauer bzw. Breite der Welle, die von der Spannungsquelle 116 geliefert wird. Der Strom, mit dem die Last 129 gespeist wird, ist infolgedessen proportional dem empfangenen Signalstrom, der die Steuerwicklungen. 107 und 110

ίο des Magnetverstärkers speist.

Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform der Erfindung hat mit der nach Fig. 3 viele Merkmale gemeinsam. Sie enthält zwei Magnetverstärker 55 bzw. 56 mit je zwei Kernen. Die Magnetverstärker besitzen Vormagnetisierungswicklungen, die durch die Anschlüsse 69 und 70 gespeist werden. Der durch die Anschlüsse 76 und 77 gespeiste Signalstromkreis ist geeignet, veränderliche positive und negative Gleichstromsignale zu empfangen.

Die nichtlineare Einrichtung 87 umfaßt ein Ventil 89', einen Widerstand 90' und eine besondere Vorbelastungs-Stromquelle 92'. Die nichtlineare Einrichtung 88 umfaßt ein Ventil 91', einen Widerstand 90" und eine besondere Vorbelastungs-Stromquelle 92".

Die Leistungskreise, die von den Transistoren 81 und 84 gesteuert werden, sind je mit einer besonderen Spannungsquelle 85' bzw. 85" versehen.

Beim Betriebe des Systems soll angenommen werden, daß die Vormagnetisierungwicklungen 72, 73, 74 und 75 mit Gleichstrom gespeist werden und daß ein Gleichstromsignal umkehrbarer Polarität an den Signalstromkreis geliefert wird. Außerdem ist auch eine Spannungsquelle 51 in Betrieb, die eine Spannung mit rechteckiger Wellenform liefert. Die Ar- beitsweise der Magnetverstärker und der Spannungsquelle 51 ist die gleiche, wie sie in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wurde. Der Stromkreis für die Steuerung der Transistoren 81 und 84 und die sich ergebenden Leistungskreise sind jedoch andersartig.

Es sei angenommen, daß die an den Anschlüssen 76 und 77 bestehende Steuergleichspannung eine bestimmte vorgegebene Polarität hat. Dann fließt während der ersten Halbwelle der Spannungsquelle 51 ein Strom von der Sekundärwicklung 53 des Transformators 52 durch die Leiter 93, 94' und 95 zum Emitter des Transistors 81 und dann durch den Leiter 96, das Ventil 79 und die Arbeitswicklung 61 des Magnetverstärkers 55 zurück zur Sekundärwicklung des Transformators. Dieser Strom macht den Transistor 81 leitfähig. Es fließt daher jetzt ein Strom von der Spannungsquelle 85' durch den Leiter 95, den Transistor 81, den Leiter 98 und in Richtung des oberen Pfeiles durch die Last 135 zurück zur Spannungsquelle. Wenn die erste (positive) Halbperiode Null erreicht, iritt die nichtlineare Einrichtung 87 in Wirkung. Durch die Spannungsquelle 92' wird der Basis des Transistors 81 eine positive Spannung aufgeprägt, so daß außerhalb der Arbeitsintervalle der Magnetverstärker die Basis des Transistors ein höheres Potential besitzt als der Emitter. Am Ende der ersten Halbperiode von 51 wird der Transistor daher gesperrt, so daß er keinen erwärmenden Strömen ausgesetzt ist. Der Magnetisierungsstrom fließt dann über das Ventil 89 zur Arbeitswicklung 61.

In der zweiten (negativen) Halbperiode der Spannungsquelle 51 fließt ein Strom von der Sekundärwicklung 53 des Transformators 52 durch die Leiter

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93, 94' und 95 zum Transistor 81 und durch den Leiter 96, das Ventil 80 und die Arbeitswicklung 62 des Magnetverstärkers 55 zurück zur Sekundärwicklung 53 des Transformators 52. Auch dieser Strom zündet den Transistor 81. In dem aus der Spannungsquelle 85', der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 81 und der Last 135 bestehenden Leistungskreis ergeben sich dadurch die gleichen Verhältnisse wie in der vorhergehenden Halbperiode der Spannungsquelle 51. Auch am Ende der negativen Halbperiode der Spannungsquelle 51 wird die nichtlineare Einrichtung 87 in der gleichen Weise wirksam, wie es oben geschildert wurde.

Bei der angenommenen, vorgegebenen Polarität der Steuerspannung 76/77 sind die Arbeitswicklungen 63 und 64 des Magnetverstärkers 56 blockiert. Ändert sich die Polarität der Steuerspannung, so werden die Arbeitswicklungen 61 und 62 des Magnetverstärkers 55 gesperrt. Während der positiven Halbwelle der Spannungsquelle 51 fließt nunmehr ein Strom von der Sekundärwicklung 54 des Transformators 52 über die Leiter 99, 94", 102 zum Emitter des Transistors 84 und weiter über den Leiter 101, das Ventil 82 und die Arbeitswicklung 63 des Magnetverstärkers 56 zurück zur Sekundärwicklung 54. In der negativen Halbwelle der Spannungsquelle 51 fließt ein Strom über die Leiter 99, 94", 102, den Transistor 84, den Leiter 101, das Ventil 83 und die Arbeitswicklung 64 des Magnetverstärkers 56 zurück zur Sekundärwicklung 54. Der Transistor 84 wird demnach in beiden Halbperioden der Spannungsquelle 51 gezündet. Dadurch ergibt sich jeweils ein Stromkreis, der sich von dem positiven Anschluß der Spannungsquelle 85" durch die Last 135, den Leiter 102, den Transistor 84 und den Leiter 100 zurück zur Spannungsquelle ,35 erstreckt. Dieser Strom fließt in Richtung des unteren Pfeiles durch die Last 135.

Sowohl am Ende der positiven als der negativen Halbwelle der Spannungsquelle 51 wird die nichtlineare Einrichtung 88 wirksam; die Basis des Tran- sistors 84 erhält durch die Spannungsquelle 92" eine positive Vorspannung, die den Transistor vollständig sperrt, während der Magnetisierungsstrom des Magnetverstärkers 56 über das in Flußrichtung vorbelastete Ventil 91' weiterfließen kann.

Je nachdem, ob infolge einer entsprechenden Wahl der Polarität der Steuerspannung 76/77 der Transistor 81 oder der Transistor 84 auf Leitfähigkeit gesteuert wird, ergibt sich ein Gleichstrom in Richtung des oberen oder des unteren Pfeiles durch die Last 135. Eine Schaltung dieser Art kann daher dazu verwendet werden, zur Durchführung eines Regelvorganges einen Motor in entgegengesetzten Richtungen anzutreiben.

Claims (12)

PATENTANSPRÜCHE: 55

1. Schaltungsanordnung zum Steuern eines durch eine Last fließenden Stromes mit Hilfe von Schalttransistoren, bei denen jeweils die Schaltstrecke in Reihe mit einer Spannungsquelle und einer Last liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Basiselektrode und eine angrenzende Elektrode, vorzugsweise die Emitterelektrode, verlaufende Steuerstrecke eines Transistors im Ausgang eines Magnetverstärkers liegt, dessen Arbeitswicklungen durch eine Wechselstromquelle mit rechteckförmiger Spannungswellenform gespeist sind und an dessen Steuerwicklung eine Signalspannung liegt, deren Betrag das Verhältnis von Durchlaß- zu Sperrperiode der Schaltstrecke des Transistors bestimmt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Steuerstrecke des Transistors eine Sperrvorspannung liegt und daß für den Magnetisierungsstrom des Magnetverstärkers ein Nebenweg parallel zur Steuerstrecke vorgesehen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Nebenweg ein Ventil dient, das entgegen der Richtung des Magnetisierungsstromes gepolt und in seiner Flußrichtung bis etwa zur maximalen Höhe des Magnetisierungsstromes vorbelastet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Verwendung zweier abwechselnd auf Leitfähigkeit gesteuerter Transistoren, deren Steuerstromkreise die Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes und eines Kondensators enthalten und über einen Transformator an einen Magnetverstärker mit Wechselstromausgang angeschlossen sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Verwendung eines Magnetverstärkers mit zwei Teildrosseln in Mittelpunktschaltung.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Verwendung zweier Transistoren, deren Steuerstrecken parallel an den Ausgang des Magnetverstärkers angeschlossen sind und die parallel auf die gleiche Last arbeiten.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Verwendung zweier Transistoren, deren als Emitter wirkende Elektroden an den Mittelpunkt des Verstärkers und deren Basen potentialmäßig getrennt an die Ausgänge der Arbeitswicklungen der beiden Teildrosseln angeschlossen sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 für Signalspannungen umkehrbarer Polarität, gekennzeichnet durch Verwendung zweier Verstärker in Mittelpunktschaltung, deren Steuerwicklungen in Reihe liegen und die derart erregt sind, daß bei der einen Polarität der Signalspannung der eine, bei der anderen Polarität der andere Verstärker blockiert ist.

9. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verstärker zwei parallel auf die gleiche Last arbeitende Transistoren steuern.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die über die Durchlaßstrecken der Transistoren fließenden Ströme einen Transformator primär gleichsinnig erregen, an dessen Sekundärwicklung, vorzugsweise unter Zuschaltung von Siebungsmitteln, die Last angeschlossen ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verstärker einen zugeordneten Transistor steuert und daß die Durchlaßstrecken der beiden Transistoren mit je einer besonderen Stromquelle und der gleichen Last in Reihe liegen, derart, daß die Last bei den verschiedenen Polaritäten der Signalspannung in verschiedenen Richtungen Strom führt.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der rechteckförmigen Speisespannung zwischen etwa 1 kHz und etwa 10 kHz liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

IRE Transactions-Circuit Theory, März 1956, S. 65ff.;
5 britische Patentschrift Nr. 789 412.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen