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Transistor-Rechteckoszillator Rechteekoszillatoren mit Transistoren
sind bereits in verschiedenen Ausführungsformen bekanntgeworden. Sofern es sich
dabei um die Erzeugung von Rechteckwellen aus Gleichstrom handelt, ist man von einer
Grundschaltung ausgegangen, die zwei im Gegentakt auf einen Transformator arbeitende
Transistorem enthält. Die Steuerkreise werden an Sekundärwicklungen des Transformators
angeschlossen, während der Verbraucher an eine weitere Sekundärwicklung geschaltet
ist.
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Die Wirkungsweise der bekannten Rechteckoszillateren beruht darauf,
daß während des Ummagnetisierungsvorganges im Transformator in der Sekundärwicklung
eine Steuerspannung induziert wird, die, den jeweils stromführenden Transistor offenhält,
bis die Flußzunahme im Transformator aufhört. In diesem Moment wird der Stromfluß
unterbrochen, und der Fluß im Transformator kehrt auf den Remanenzwert zurück. Dabei
wird in den Steuerwicklungen eine Spannung induziert, die, den bisher stromführenden
Transistor sicher sperrt und den bisher gesperrten Transistor. öffnet. Es beginnt
daraufhin die Ummagnetisierung in die entgegengesetzte Richtung.
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Das Aufhören der Flußzunahme kann entweder auf einer Sättigungserscheinung
im Transformatorkern oder einer Begrenzung des Transistorarbeitsstromes beruhen.
Wird im Laufe der Ummagnetisierung der Sättigungsknick der Magnetisierungslinie
erreicht, so kann der Fluß nicht weiter zunehmen. Derselbe Effekt tritt ein, wenn
noch im lincaren Bereich der Magnetisierungslinie, der auf Grund des Steuerstromes
des Transistors maximal mögliche Arbeitsstrom erreicht wird.
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Derartige Rechteckoszillatoren eignen sich für verschiedene Zwecke
der Meß-, Steuer- und Regeltechnik. Die Frequenz der erzeugten Schwingungen kann
durch Änderung der Speisespannung des Taktgebertransformators oder durch Vormagnetisierung
des Transformatorkerns, stufenlos geändert werden. Dies ist von besonderer Bedeutung
für die Steuerung der Drehzahl von Wechselstrommotoren, insbesonderf,- von Kondensatorinotoren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rechteekoszillator
zu schaffen, der als Frequenzvervielfacher mit beliebig einstellbarer Frequenz für
die Speisung eines nachgeschalteten Wechselstronirnotors. geeignet ist. Letzterer
hat der wählbaren Frequenz entsprechend eine verstellbare Drehzahl, die weit über
3000 U/min liegen kann.
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Die Erfindung geht von einem Rechteckoszillator mit zwei in Reihe
an eine symmetrische Speisespannun- angeschlossenen Transistoren aus, die abwechel
selnd auf einen zwischen die Mittelpunkte der Speisespannung und der Transistoren
geschalteten sättigbaren Transformator arbeiten und deren Steuerkreise an Sekundärwicklungen
des Transformators angeschlossen sind. Die Erfindung besteht darin, daß der Transistorstrom
in einen Speisestrom für den Taktgebertransformator und in einen den parallel zur
Primärwicklung des Transformators angeordneten Verbraucherwiderstand durchfließenden
Laststrom aufgeteilt und derart begrenzt ist, daß wenigstens in einem Teil des Belastungsbereichs
die Umsteuerung der Transistoren vom Erreichen des, Transistorgrenzstromes eingeleitet
wird und somit die Frequenz mit steigender Belastung zunimmt.
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Die Begrenzung des Transistorstromes geschieht zweckmäßig über den
Steuerstrom, indem das übersetzungsverhältnis des Transformators mit dem Gesamtwiderstand
im Transistorsteuerkreis abgestimmt wird. Es ist dann möglich, den aus dem Kennlinienfeld
des Transistors ermittelten, zu dem gewünschten Arbeitsstrom gehörenden Steuerstrom
zu erzeugen.
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In Anwendung der Erfindung auf die Speisung von Induktionsmotoren
kann also nach Beheben ein Nebenschlußverhalten oder sogar eine Zunahme der Drehzahl
bei steigender Last erzielt werden.
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Nähere Einzelheiten der Erfindung seien im folgenden an einem Ausführungsbeispiel
beschrieben, das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist.
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Dem Ausführungsbeispiel liegt die Verwendung des Rechteckoszillators
als Frequenzumsetzer zugrunde, d. h., die Speisegleichspannung wird aus einem
Wechselstromnetz 1, 2 mit Hilfe eines Gleichrichtersatzes 3 und zweier
Glättungskondensatoren 4 und 5
gewonnen. Zwei Transistoren 6 und
7 arbeiten abwechselnd auf einen Transformator 8, dessen Primärwicklung
9 zwischen die beiden Kondensatoren und
den Mittelpunkt der
Speisespannung geschaltet ist. Der Steuerkreis des Transistors 6 enthält
die Sekundärwicklung 10 des Transformators 8, einen Widerstand
11, der mit einem Kondensator 12 überbrückt sein kann, und die Basisemitterstrecke
des Transistors. In analoger Weise ist ein Steuerkreis mit Sekundärwicklung
13, Widerstand 14 und Kondensator15 für den Transistor7 vorgesehen. Als Starthilfe
ist in an sich bekannter Weise mittels eines Widerstandes 16 eine Unsymmetrie
in die Schaltung eingeführt.
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Parallel zur Primärwicklung des Transformators liegt an den Klemmen
17 und 18 ein Verbraucherwiderstand 19.
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Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, teilt sich der Strom ic des
Transistors 6 in den Speisestrom 'T des Transformators und den Laststrom
iL auf. Analoges gilt für den Kollektorstrom des Transistors 7, so daß Transformator
und Verbraucher an einer annähernd rechteckförinige Wechselspannung UT liegen. Die
Amphtude dieser Spannung entspricht etwa der an einem der Kondensatoren 4 bzw.
5 liegenden Gleichspannung, da der Spannungsabfall UcE am geöffneten Transistor
vernachlässigbar klein ist.
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Wie Fig. 2 zeigt, kann man an die Klemmen 17, is einen Kondensatormotor
20 anschließen, der eine Motorwicklung 21 und eine in Reihe mit einem Pha,senschieberkondensator
23 liegende Motorwicklung 22 aufweist.
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Die Gleichrichter 24 und 25 parallel zu den Transistoren
6 und 7 ermöglichen ein kontinuierliches Fließen des Magnetisierungsstromes
iT des Taktgebertransformators und verhindern Überspannung an den Transistoren.
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Die Wirkungsweise des Rechteckoszillators nach der Erfindung ergibt
sich wie folgt: Legt man die Begrenzung des Transistorströmes so hoch, daß die entsprechende
Durchflutung bzw. Feldstärke bei Leerlauf (keine Belastung parallel zum Transformator)
im Sättigungsbereich der Kennlinie des Kernmaterials liegt, so wird in diesem Falle
die Kernsättigung für das Aufhören der Flußzunahme und damit für die Umsteuerung
der Transistoren verantwortlich sein. Fig. 3 soll dies veranschaulichen.
Sie zeigt die Magnetisierungsschleife eines Kernmaterials. Würde der maximale Transistorstrom
eine Feldstärke Hi max hervorrufen, die jenseits des durch Bs angedeuteten Sättigungsknicks
liegt, so wird die Umsteuerung schon dann beginnen, wenn dieser Sättigungsknick
erreicht wird. Obwohl also der Transistor voll ausgesteuert wird, nimmt sein Arbeitsstrorn
den durch den Steuerstrorn an sich eingestellten Höchstwert nicht an.
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Bei steigender Last wird nun ein Teil des Transistorstromes als Laststrom
LL vom Transformator abgezogen. Dies hat zunächst zur Folge, daß der durch den Steuerstrom
eingestellte Höchstwert des Transistorstromes auch tatsächlich erreicht wird, obwohl
der Transformatorstrom iT nach wie vor nicht höher werden kann als dem Sättigungsknick
entspricht. Wie Fig. 4 zeigt, kann man durch Wahl des Steuerstromes i,3 infolge
Änderung der Widerstände 11 und 14 den mixamilen Kollektorstrom ic",., einstellen.
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Bei weiterer Zunahme der Last wird nun der Laststrom so groß werden,
daß der Transformatorstrom den zum Sättigungsknick Bs gehörigen Wert nicht mehr
erreicht. Die Umsteuerung beginnt nun nicht auf Grund einer Sättigangserscheinung
im Kern, sondern auf Grund der Tatsache, daß der Transistorstrom infolge seiner
Begrenzung nicht mehr höher ansteigen kann. Auch in diesem Falle hört die Flußzunahme
im Transformatorkern auf, und der Fluß kehrt auf einen Remanenzwert zurück, der
der entsprechenden Hystereseschleife zugeordnet ist. Dies ist in Fig.
3 gestrichelt dargestellt, wobei angenommen ist, daß der Transistorstrom
nur eine maximale Feldstärke H2.", im Transformator hervorrufen kann.
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Da nun aber die Speisespannung des Transformators unabhängig vom Lastwiderstand
etwa konstant bleibt und dadurch der Strom im Transformator immer mit der gleichen
Steilheit steigt oder fällt, wird die Ummagnetisierung um so rascher eintreten,
je, früher die Flußzunahme im Transformator aufhört. Wenn der Lastwiderstand
einen so hohen Strom zieht, daß für den Transformator nur noch ein geringer Restbetrag
zur Verfügung steht, wird der Fluß schon nach kurzer Zeit nicht mehr ansteigen und
die Umsteuerung eingeleitet. Dadurch erhöht sich die Schwingfrequenz des Rechteckosillators.
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Dies zeigt ein Vergleich der Fig. 5 und 6. Der Schwankungsbereich
des Transformatorstromes 'T ist in Fig. 5 infolge einer kleineren Belastung
wesentlich größer als in Fig. 6, während die Steilheit von Anstieg und Abfall
die gleiche geblieben ist. Einer höheren Belastung entspricht eine höhere Schwingfrequenz
bei gleichbleibender Amplitude der Rechteckspannung.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Schwingfrequenz so lange konstant
bleibt, als für den Beginn der Umsteuerung das Erreichen des Sättigungsknicks (BS
in Fig. 3) verantwortlich ist. Erst dann, wenn das Aufhören der Flußzunahme
auf die Begrenzung des Transistorstrornes zurückgeht, beginnt die Schwingfrequenz
mit steigender Belastung zuzunehmen. Durch geeignete Wahl des Höchstwertes für den
Transistorstrom kann man also erreichen, daß im Beginn des Belastungsbereichs die
Frequenz mit steigender Belastung konstant bleibt, um später zuzunehmen. Andererseits
ist es jedoch auch möglich, die Schwingfrequenz schon von Anfang an mit steigender
Belastung ansteigen zu lassen. Zu diesem Zweck ist der Transistorstrom so zu begrenzen,
daß im Leerlauffall gerade der Sättigungsknick -erreicht wird.
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Es ist auf einfache Weisem möglich, die Kennlinienabschnitte so aufeinander
abzustimmen, daß die Drehzahl eines Schlupf behafteten Induktionsmotors bei steigender
Belastung etwa konstant bleibt (Nebenschlußverhalten) oder sogar ansteigt. Da sich
mit steigender Belastung des Motors auch der Schlupf erhöht, wird es im allgemeinen
zweckmäßig sein', die Schwingfrequenz des Wechselrichters bei größer werdender Belastung
leicht zunehmen zulassen, um annähernd konstante Drehzahl zu erzielen.
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Die Einstellung der Grundfrequenz für den Leerlauffall kann auf beliebige
bekannte Weise, etwa durch Einstellen der Speisespannung, gewählt werden. Ferner
ist es möglich, das übersetzungsverhältnis des Transformators und dadurch den Maximalstrom
des Transistors zu ändern oder auch die Widerstände 11
und 14 im Steuerkreis
einstellbar zu machen.