DE1169535B - Stabilisierter Transistoroszillator - Google Patents

Stabilisierter Transistoroszillator

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DE1169535B
DE1169535B DEN19926A DEN0019926A DE1169535B DE 1169535 B DE1169535 B DE 1169535B DE N19926 A DEN19926 A DE N19926A DE N0019926 A DEN0019926 A DE N0019926A DE 1169535 B DE1169535 B DE 1169535B
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Hugo Georg Bruijning
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Koninklijke Philips NV
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Philips Gloeilampenfabrieken NV
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: H 03 b
Deutsche Kl.: 21a4-13
Nummer: 1 169 535
Aktenzeichen: N 19926IX d / 21 a4
Anmeldetag: 21. April 1961
Auslegetag: 6. Mai 1964
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator mit mindestens einem Flächentransistor und einer Rückkopplung zwischen dem Emitter-Kollektor-Kreis und dem Basiskreis dieses Transistors, wobei zur Stabilisierung der Amplitude der erzeugten Schwingungen und/oder zum Schutz des Oszillators vor bei verhältnismäßig geringer Belastung auftretenden Überspannungen ein einen Gleichrichter enthaltender Entlastungskreis mit dem Basiskreis gekoppelt ist, wobei der Gleichrichter nur einem Schwellenwert der Schwingungsamplitude an in bezug auf vorwärts gerichtete Rückkopplungsimpulse leitend wird.
Solche Oszillatoren sind bekannt, z. B. aus »Proceedings of the I. E.E.«, part B, vom November 1955, S. 775 bis 786, insbesondere Abschnitte 5 und 6 und Fig. 7.
Es sind ferner Umformer bekannt, bei denen eine Spannungsregelung durch Überlauf aus dem Kollektor-Emitter-Kreis in die Speisequelle erreicht wird, und zwar wenn die Ausgangsspannung und damit die Amplitude der Spannungsimpulse über einen Teil der Wicklung des Transformators die Spannung der Speisequelle überschreitet. Jedoch wird hier nicht die Regelung der Ausgangsspannung durch Begrenzung der Amplitude von vorwärtsgerichteten Basisstromimpulsen bewerkstelligt.
Transistoroszillatoren finden bei Umrichtern oder Umformern, insbesondere bei Gleichspannungsumrichtern oder Umformern, immer mehr Verwendung. Der erreichbare Wirkungsgrad ist sehr gut und kann sogar über 90% hinausgehen, und mit einem neuzeitlichen Leistungstransistor läßt sich bereits eine Leistung von der Größenordnung von 100 W mit zwei in Gegentakt geschalteten Transistoren umrichten oder umformen. Bei einem bekannten Oszillator mit Entlastungskreis geht somit bei verhältnismäßig geringer Belastung eine erhebliche Leistung im Entlastungskreis verloren, während das Festlegen und/oder die Regelung des Schwellenwertes die Verwendung mehrerer Hilfselemente erfordert. Aus der französischen Patentschrift 1112 716 ist es andererseits bekannt, eine ähnliche Wirkung mittels einer sogenannten »Rekuperationsdiode« zu erreichen. Der Kreis dieser Diode enthält eine mit dem Ausgangskreis des Oszillators gekoppelte Wicklung und eine durch die Speisequelle des Oszillators gebildete Schwellenspannungsquelle. Wenn die Amplitude der Spannung über der Wicklung über den Wert der Speisespannung hinausgeht, fließt über die Diode ein Entlastungsstrom zur Speisequelle. Dieser Strom dämpft den Ausgangskreis des Oszillators und begrenzt somit die Amplitude der Ausgangsspannung, Stabilisierter Transistoroszillator
Anmelder:
N. V. Philips' Gloeilampenf abrieken,
Eindhoven (Niederlande)
Vertreter:
Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7
Als Erfinder benannt:
Hugo Georg Bruijning, Eindhoven (Niederlande)
Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 25. April 1960 (250 873)
während die über die Diode diesem Ausgangskreis entnommene Energie zur Speisequelle zurückgeführt wird. Die Entlastungs- oder Regelverluste sind somit im allgemeinen vernachlässigbar. Diese Rekuperationsschaltung ist sehr einfach und könnte selbstverständlich auch zum Begrenzen der der Basis des Transistors in der Vorwärtsrichtung zugeführten Rückkopplungsimpulse Anwendung finden. Bei Verwendung zu diesem Zweck hat sie jedoch den Nachteil, daß die Schwellenspannung im allgemeinen zu hoch ist, auf dem gleichen Wert wie die Speisespannung festgelegt und somit nicht regelbar ist und sich weiter mit dieser Speisespannung ändert, was meistens unerwünscht ist.
Die Erfindung bezweckt, einen stabilisierten Transistoroszillator des im Eingang definierten Typus anzugeben, bei dem die Regel- oder Entlastungsverlus-te auf einen geringen Bruchteil des normalerweise zu erwartenden Wertes beschränkt werden, während .die Schwellenspannung, bei der die Regel- oder Entlastungswirkung einsetzt, frei wählbar und/oder regelbar ist.
Sie gründet sich auf die Erkenntnis, daß zum Erreichen der gleichen Regelwirkung der Entlastungsstrom um einen bestimmten Faktor herabgesetzt werden kann, wenn die Rückkopplungsspannung im gleichen Verhältnis herauftransformiert wird, bevor sie an den Entlastungskreis angelegt wird, während infolge der Regelwirkung die über dem Entlastungskreis effektiv auftretende Spannung in viel geringerem Maß zunimmt, als dem Transformationsverhältnis entspricht.
409 588/305
Der Oszillator gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die der Basis zugeführte Rückkopplungsspannung herauftransformiert wird und diese transformierte Spannung an den Entlastungskreis angelegt wird, während der Gleichrichter durch eine Rückwärtsschwellenspannungsquelle polarisiert wird.
Demzufolge wird der Gleichrichter vom Schwellenwert der Rückkopplungsspannung an leitend und die über diesem Schwellenwert auftretenden Entlastungsverluste werden erheblich herabgesetzt.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der
F i g. 1 das Schaltbild eines einfachen Ausführungsbeispiels des Oszillators nach der Erfindung ist,
F i g. 2 das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels ist,
F i g. 3 Belastungskennlinien des Ausführungsbeispiels nach F i g. 2 zeigt und
F i g. 4 das Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispieles ist.
Der in F i g. 1 dargestellte Oszillator enthält zwei Transistoren 1 und 1'. Der Emitter-Basis-Kreis jedes dieser Transistoren enthält einen Teil einer Wicklung 3 bzw. 3' eines Transformators 2 und einen Teil 5 bzw. 5' der Primärwicklung eines Ausgangstransformators 4. Die Transistoren sind in Gegentakt geschaltet und mittels des Transformators 2 rückgekoppelt. Es ist an sich bekannt, z. B. aus der amerikanischen Patentschrift 2 774 878, in einem solchen Oszillator einen getrennten Rückkopplungstransformator zu verwenden.
Der Oszillator wird von einer Gleichspannungsquelle 7, z. B. einer 6-V-Batterie, gespeist und eine Last kann an seine Ausgangsklemmen 8 angeschlossen werden, die mit einer Sekundärwicklung 6 des Ausgangstransformators 4 verbunden sind. Die Basis jedes der Transistoren ist mit einer weiteren Anzapfung der entsprechenden Wicklung 3 bzw. 3' verbunden und der Oszillator ist mit einem Entlastungskreis versehen, durch den die Erregung der Basiselektroden der Transistoren 1 und Γ begrenzt wird. Für jeden der Transistoren 1 und Γ enthält der Entlastungskreis eine Diode 9 bzw. 9', die in der Vorwärtsrichtung zwischen den Basiskreis dieses Transistors und eine Quelle von Schwellenspannung geschaltet ist.
Die Schwellenspannungsquelle besteht aus einem Elektrolytkondensator 10, der durch einen nichtlinearen Widerstand, im vorliegenden Fall durch eine Zenerdiode 11, überbrückt ist, die die Spannung über diesem Kondensator begrenzt und konstant hält. Der Kondensator 10 wird durch den Entlastungsstrom aufgeladen, der beim Schwingen des Oszillators die Dioden 9 und 9' durchfließt.
Wie eingangs bereits erwähnt wurde, sind Transistoroszillatorschaltungen bekanntgeworden, bei denen die Amplitude der Ausgangsschwingungen mit Hilfe eines mit dem Basis- oder Steuerkreis des Transistors gekoppelten Entlastungskreises geregelt oder begrenzt wird. Diese Maßnahme ist besonders wirkungsvoll, wenn der Transistor mittels eines gesonderten Rückkopplungstransformators erregt wird, denn dabei wird die im Entlastungskreis verlorengehende Energie unmittelbar aus diesem Rückkopplungskreis und nur auf einem Umweg aus dem Ausgangskreis geschöpft, so daß die gleiche Regelwirkung mit einem geringeren Energieverlust erzielbar ist.
Gemäß der Erfindung wird die Wirkung eines bestimmten Energieverlustes im Entlastungskreis dadurch um einen beträchtlichen Faktor vermindert, daß die an die Basis des Transistors angelegte Erregungsspannung herauftransformiert wird, bevor sie an den Entlastungskreis angelegt wird. Beim Oszillator nach F i g. 1 wird diese Transformation durch die Wicklung 3 bzw. 3' dadurch zustande gebracht, daß die Dioden 9 und 9' mit den Enden der entsprechenden Wicklungen verbunden sind, während der Emitter und die Basis des Transistors mit Anzapfungen dieser Wicklung verbunden sind. Bei einer praktischen Ausführungsform bestanden die Wicklungen 3 und 3' je aus einem ersten Teil mit drei Windungen, der zwischen das entsprechende Ende der Wicklung 5 bzw. 5' und den Emitter des Transistors 1 bzw. 1' geschaltet war, aus einem Rückkopplungsteil, der zwischen die Basis und den Emitter des Transistors 1 bzw. 1' geschaltet war und zwanzig Windungen enthielt, und aus einem herauftransformierenden Teil, der zwischen die Basis des Transistors 1 bzw. 1' und die entsprechende Diode 9 bzw. 9' des Entlastungskreises geschaltet war und zweihundert Windungen enthielt.
Mit einem als Umrichter ausgebildeten Oszillator nach F i g. 1 war bei Speisung mit einer Gleichspannung von 6 V und in Anwesenheit einer bestimmten Belastung an den Klemmen 8 der Strom gleich 3 A. Die Dioden 9 und 9' wurden zunächst mit den gleichen Anzapfungen verbunden wie die Basiselektroden der Transistoren. Bei Beseitigung der Last wurde dann, weil der Rückkopplungstransformator ein Transformationsverhältnis von 3:20 hatte, ein Entlastungsstrom von etwa 0,5 A über die Dioden 9 und 9' hindurchgelassen. Die Spannung über dem Entlastungskreis war etwa 6 V und der Entlastungsstrom entsprach somit einem Leistungsverlust von 3 W, der durch die Quelle 7 geliefert werden mußte. Die Dioden 9 und 9' wurden dann mit den Enden der Wicklungen 3 und 3' verbunden. Infolgedessen wurde der Entlastungs- oder Verluststrom um einen Faktor 10 herabgesetzt, während die Verlustspannung am Entlastungskreis nicht einmal verdoppelt war. Die Entlastungs- oder Regelverluste wurden somit durch diese Maßnahme um einen Faktor von mehr als 5 verringert, während die Wirkung des Entlastungskreises hinsichtlich der Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Belastung praktisch die gleiche blieb. Die rechteckförmige Spannung an der Wicklung 5 bzw. 5' war 5 V.
Die Zenerdiode 11 könnte auch durch einen nichtlinearen Widerstand anderer Art, z. B. einen spannungsabhängigen Widerstand oder VDR ersetzt werden. Die Schwellenspannung am Kondensator 10 würde in diesem Fall nicht mehr konstant sein, sondern sich mit dem Entlastungsstrom ändern, was meistens unerwünscht ist.
Die in F i g. 2 bzw. 4 dargestellten zweiten und dritten Ausführungsbeispiele unterschieden sich nur in wenigen Hinsichten vom ersten, und entsprechende Elemente sind in den F i g. 2 und 4 mit den gleichen Bezugsziffern wie in F i g. 1 bezeichnet.
Jeder der in den F i g. 2 und 4 dargestellten Oszillatoren bildet einen Teil eines Gleichspannungsumformers. Dementsprechend ist die Sekundärwicklung 6 des Ausgangstransformators 4 mit einer Mittelanzapfung versehen, die mit der unteren (negativen) Ausgangsklemme 8' des Umformers verbunden ist. Die
Enden dieser Wicklung sind über Dioden 20 bzw. 20' mit der oberen, positiven Klemme 8' verbunden, während ein Elektrolytkondensator 21 die Klemmen 8' überbrückt.
Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 enthält der Entlastungskreis einen Widerstand 16, der zwischen die Anoden der zwei Dioden 9 und 9' und die Schwellenspannungsquelle mit dem Kondensator 10 geschaltet ist. Weiter ist die Zenerdiode 11 durch den Emitter-Kollektor-Kreis eines Hilfstransistors 11' ersetzt, dessen Basis durch einen über dem Kondensator 10 geschalteten Spannungsteiler polarisiert wird. Dieser Spannungsteiler enthält einen Widerstand 12, der zwischen die Basis des Transistors 11' und dessen Emitter geschaltet und unmittelbar mit der Plusklemme der Speisequelle 7 verbunden ist, und eine Zenerdiode 13, die zwischen diese Basiselektrode und den Kollektor des Hilfstransistors geschaltet und unmittelbar mit dem gemeinsamen Punkt des Widerstandes 16 und des Kondensators 10 verbunden ist.
Ein weiterer Unterschied gegenüber dem Oszillator nach F i g. 1 besteht darin, daß der gemeinsame Punkt der Dioden 9 und 9' nicht nur mit der Schwellenspannungsquelle mit dem Kondensator 10, sondern auch, über einen Widerstand 14, mit der Minusklemme der Speisequelle 7 verbunden ist. Dies bezweckt, die Dioden 9 und 9' beim Einschalten zu sperren und so den Start des Oszillators zu erleichtern.
Dadurch, daß die Zenerdiode 11 durch den mit Hilfe einer Zenerdiode 13 gesteuerten Transistor 11' ersetzt ist, wird der hochstzulässige Entlastungsstrom nicht mehr auf den hochstzulässigen Strom durch die Zenerdiode, sondern auf den hochstzulässigen Emitterstrom des Transistors 11' beschränkt.
Eine erhebliche Verbesserung des Ausführungsbeispieles nach F i g. 2 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird durch den Widerstand 16 herbeigeführt. In F i g. 3 sind Belastungskurven: Ausgangsspannung Vu in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom Iu des Gleichspannungsumformers nach F i g. 2 dargestellt, und zwar für den Fall, daß der Widerstand 16 gleich Null ist, und für den Fall, daß dieser Widerstand einen Wert von 80 Ω hat, bei Eingangsspannungen Vi von 6 und 8 V. Wie aus den unteren Kurven hervorgeht, ist der Umformer mit verhältnismäßig erheblichen ohmschen Spannungsverlusten behaftet. Diese Verluste sind im wesentlichen den Basiskreisen der Transistoren zuzuschreiben. Durch Zusatz des Widerstands 16 von 80 Ω in Reihe mit dem Entlastungskreis wird dieser ohmsche Spannungsverlust in den Basiskreisen der Transistoren 1 und 1' größtenteil ausgeglichen, wie aus den beiden oberen Kurven ersichtlich ist.
Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 liegt ein weiterer Widerstand 15 zwischen dem gemeinsamen Punkt des Widerstandes 14 und der Dioden 9 und 9' einerseits und der Plusklemme der Speisequelle 7 andererseits. Zusammen mit dem Widerstand 14 bildet dieser Widerstand 15 einen Spannungsteiler, so daß nur ein Teil der Spannung der Speisequelle 7 als anfängliche Sperrspannung den Anoden der Dioden 9 und 9' zugeführt wird.
Ein weiterer Unterschied gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 besteht darin, daß die Zenerdiode 13 durch einen lichtempfindlichen Widerstand 13' ersetzt ist, z. B. eine Widerstandsphotozelle oder einen Photoleiter auf der Grundlage von Kadmiumsulfid. Dieser Photowiderstand oder LDR 13' ist in einem Abschirmgehäuse angebracht, in dem auch eine Glühlampe 18 vorgesehen ist. Diese Glühlampe wird über einen Regelwiderstand 19 durch eine zweite Sekundärwicklung 17 des Ausgangstransformators 4 gespeist. Sie ist so angebracht, daß sie den Photowiderstand belichten kann. Dadurch ergibt sich eine starke Gegenkopplung, wodurch eine ausgezeichnete Stabilisierung der Ausgangsspannung an den Klemmen 8' bewirkt wird. Auch ist es möglich, durch Änderung des Wertes des Widerstandes 19 diese Ausgangsspannung auf einen gewünschten Wert einzustellen. Um Unstabilitäten der Umformerschaltung zu vermeiden, muß jedoch dafür gesorgt werden, daß die Trägheit der Lampe 18 mit dem Photowiderstand 13' und dem Kondensator 10 nicht in der gleichen Größenordnung wie die der Last mit dem Kondensator 21 liegt.
Die geschilderten Oszillatoren sind vom sogenannten Sättigungstyp, bei dem das Ende der Leitungsperiode eines oder jedes Transistors durch die Sättigung eines Elementes des Ausgangskreises, nämlich des Ausgangstransformators 4 oder des Rückkopplungstransformators 2, oder durch das Erreichen der Sättigungs- oder »Bottoming«-Kurve der Transistorkennlinie herbeigeführt wird. Die geschilderte Entlastungs- oder Regelschaltung kann jedoch in praktisch jeder Transistoroszillatorschaltung Verwendung finden.

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Oszillator mit mindestens einem Flächentransistor und einer Rückkopplung zwischen dem Emitter-Kollektor-Kreis und dem Basiskreis dieses Transistors, wobei zur Stabilisierung der Amplitude der erzeugten Schwingungen und/oder zum Schutz des Transistors vor bei verhältnismäßig geringer Belastung auftretenden Überspannungen ein einen Gleichrichter enthaltender Entlastungskreis mit dem Basiskreis gekoppelt ist, wobei der Gleichrichter nur von einem Schwellenwert der Schwingungsamplitude an und für vorwärts gerichtete Rückkopplungsimpulse leitend wird, dadurch gekennzeichnet, daß die der Basis zugeführte Rückkopplungsspannung herauftransformiert wird und diese transformierte Spannung an den Entlastungskreis angelegt wird, während der Gleichrichter durch eine Rückwärtsschwellenspannungsquelle polarisiert wird.
2. Oszillator nach Ansprach 1, mit einem Rückkopplungstransformator, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungswicklung dieses Transformators einen ersten zwischen den Emitter und die Basis des Transistors geschalteten Teil und einen zweiten zwischen diese Basis und den Entlastungskreis geschalteten Teil, enthält.
3. Oszillator nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenspannungsquelle aus einem Kondensator, der vom Entlastungsstrom aufgeladen wird, und aus einem zu diesem Kondensator parallel geschalteten nichtlinearen Element besteht, durch das die Spannung am Kondensator stabilisiert wird.
4. Oszillator nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Element aus einem Transistor besteht, dessen Kollektor-Emitter-Kreis parallel zum Kondensator geschaltet ist und
dessen Basis an der Anzapfung eines Spannungstellers liegt, der zwischen den Emitter und den Kollektor des als nichtlineares Element wirksamen Transistors geschaltet ist.
5. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler aus einem Widerstand und einer Zenerdiode besteht, die zwischen den Kollektor und die Basis des als nichtlineares Element wirksamen Transistor geschaltet ist.
6. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler aus einem Widerstand und einem lichtempfindlichen Widerstand besteht, der zwischen den Kollektor und die Basis des als nichtlineares Element wirksamen Transistors geschaltet ist, und daß der lichtempfindliche Widerstand von einer elektrischen Lichtquelle belichtet werden kann, die mit den Ausgangsschwingungen des Oszillators gespeist wird.
7. Oszillator nach Anspruch 2, mit mindestens einem Paar in Gegentakt geschalteten Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlastungskreis einen Gleichrichter für jeden Transistor enthält, wobei jeder Gleichrichter zwischen dem zweiten Teil der Rückkopplungswicklung für den entsprechenden Transistor und einer gemeinsamen Schwellenspannungsquelle liegt.
8. Oszillator nach einem oder mehreren der ίο vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Entlastungskreis einen Reihenwiderstand enthält, durch den die ohmschen Spannungsverluste wenigstens teilweise ausgeglichen werden.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 030 895;
belgische Patentschrift Nr. 544 351;
»ETZ«, 11.5. 1956, S. 301.
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