DE1172301B - Mit einer Wechselspannung synchronisierter Impulsgenerator - Google Patents

Description

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dr. H. Scholz, Patentanwalt, Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt: Johannes Noordanus, Henderikus Stokman, Hilversum (Niederlande) - -

_. „ „ , ,.„. _T , . Mit einer Wechselspannung

Die Erfindung betnnt einen Impulsgenerator mit , . . _T ,

einem Kondensator, der über einen Ladewiderstand synchronisierter Impulsgenerator

durch eine Gleichspannung aufgeladen wird und bei

Erreichen einer bestimmten Ladespannung über die
Hauptstromstrecke eines gesteuerten Halbleiter- 5
gleichrichters und einen zwischen der Ausgangselektrode dieses Gleichrichters und einer Klemme
des Kondensators eingeschalteten Belastungskreis
entladen wird und dabei einen Stromimpuls durch
diesen Belastungskreis erzeugt. Derartige sogenannte ίο
Relaxationsgeneratoren sind bekannt. Bei zweckmäßiger Wahl der Werte des Kondensators und des
Widerstandes können di& dadurch erzeugten Stromimpulse mit einer Wechselspannung synchronisiert
werden, indem eine Gleichspannung mit einer aus 15
dieser Wechselspannung abgeleiteten Wechselspannungskomponente zur Aufladung des Kondensators
verwendet wird. Man kann z. B. eine durch Ein- oder
Vollweggleichrichtung der Wechselspannung ge- 2

wonnene, ungeglättete Gleichspannung zur Auf- 20

' ladung des Kondensators verwenden. Probiert man Gleichrichters über einen zweiten Widerstand mit dann, die Phase der erzeugten Stromimpulse in bezug dem gemeinsamen Punkt des Belastungskreises und auf die Wechselspannung durch Ändern des Wertes des Kondensators und über ein erst oberhalb eines des Ladewiderstandes und/oder des Kondensators zu Schwellenwertes der an seinen Klemmen wirksamen ändern oder zu regeln, so stößt man bald auf 25 Spannung leitendes Element, vorzugsweise über eine Schwierigkeiten, die dadurch entstehen, daß der ge- Zenerdiode, mit der vom Kondensator abgewendeten steuerte Gleichrichter nach vollständiger Entladung Klemme des Ladewiderstandes verbunden ist, das des Kondensators wieder nichtleitend wird, weil der Ganze derart, daß das oberhalb einer Schwellendurch den Ladewiderstand nachfließende Strom spannung leitende Element vor jeder Halbwelle der kleiner ist als sein Haltestrom. Der Kondensator 30 Wechselspannungsk&mponente mit dem gleichen beginnt dann vorzeitig, sich über den Ladewiderstand Vorzeichen wie die Gleichspannung nicht leitend ist, wieder aufzuladen, und seine Entladung über den so daß eine am Kondensator liegende Spannung über gesteuerten Gleichrichter findet statt zu einem frühe- den zweiten Widerstand und in der Vorwärtsrichtung ren Zeitpunkt der darauffolgenden Halbwelle der zwischen Steuerelektrode und Emitter des Gleich-Wechselspannungskomponente mit dem gleichen 35 richters wirksam wird und den Gleichrichter leitend Vorzeichen wie die Gleichspannung: Die Phase der macht, welcher somit ein Rückstellen des Kondenerzeugten Stromimpulse in bezug auf die Wechselspannung ist nicht konstant.

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, diese Schwierigkeiten zu überwinden und einen Impulsgenerator des 40
eingangs definierten Typs anzugeben, wobei zur
Synchronisierung der erzeugten Stromimpulse mit
einer Wechselspannung eine Gleichspannung mit
einer aus dieser Wechselspannung abgeleiteten Wechselspannungskomponente zur Aufladung des Kon- 45 zweites oberhalb einer Schwellenspannung leitendes densators verwendet wird und die Phase dieser Element, vorzugsweise eine zweite Zenerdiode, ist Stromimpulse in bezug auf diese Wechselspannung mit dem zweiten Widerstand parallel geschaltet, so innerhalb eines großen Phasenregelbereiches einfach daß die Spannung an der Reihenschaltung beider durch Ändern des Wertes des Ladewiderstandes oberhalb einer Schwellenspannung leitenden EIe- und/oder des Kondensators geändert werden kann. 50 mente und an der Reihenschaltung des Kondensator

Hierzu ist der Impulsgenerator nach der Erfindung und des Ladewiderstandes während jeder Halbwe dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des der Wechselspannungskomponente mit dem gleis

sators in den ungeladenen Zustand vor dem Beginn jeder dieser Halbwellen der Wechselspannungskomponente gewährleistet.

Vorzugsweise ist ein Vorwiderstand zwischen der Quelle von Gleichspannung mit Wechselspannungskomponente und der Reihenschaltung des oberhalb einer Schwellenspannung leitenden Elementes und des zweiten Widerstandes eingeschaltet, und ein

hohen rückwärtigen Spannung zwischen Emitter und Steuerelektrode; gleichzeitig setzt sie den Emitterreststrom oder Leckstrom des Gleichrichters 10 auf den vernachlässigbaren Wert ihres eigenen Rückstromes herab. Die Siliziumdiode 13 unterdrückt in bekannter Weise den bei Unterbrechung des Kollektorstromes des gesteuerten Gleichrichters 10 über der Primärwicklung des Transformators 12 entstehenden, rückwärtigen Spannungsimpuls.

Es sei zunächst angenommen, daß die Spannung V₀ am Punkt D konstant ist. Dies wäre z. B. der Fall, wenn der Widerstand 9 durch einen verhältnismäßig großen Glättungskondensator ersetzt wäre. Der Kondensator 1 wird dann während eines ersten

Vorzeichen wie die Gleichspannung auf einen Wert gleich der Summe der Schwellenspannungen beider Elemente begrenzt wird.

Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert, worin

Fig. 1 das Schaltbild eines Impulsgenerators nach der Erfindung ist und

Fig. 2 Spannungs- und Stromzeitdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise dieses Impulsgenerators zeigt.

Der in F i g. 1 dargestellte Impulsgenerator enthält
einen Kondensator 1, welcher über einen regelbaren
Ladewiderstand 2 durch eine Gleichspannung aufgeladen wird. Zur Synchronisierung der zu erzeugenden Impulse mit einer Wechselspannung enthält 15 Teiles eines der Spannungsimpulse V_n aufgeladen, diese Gleichspannung eine von dieser Wechsel- bis seine Ladespannung um die Summe der Schwelspannung abgeleitete Wechselspannungskomponente. lenspannungen der Diode 11 und der Emitter-Steuer-Dies wird dadurch auf sehr einfache Weise erreicht, elektroden-Strecke des Gleichrichters 10 größer wird daß diese Gleichspannung durch Vollweggleichrich- als die Spannung über der Diode 8, im betrachteten tung der Wechselspannung gewonnen wird und nach 20 Fall also größer als etwa 7.5 Volt. Sobald diese Beder Gleichrichtung nicht geglättet wird. Die F i g. 1 dingung erfüllt ist, wird der gesteuerte Gleichrichter zeigt einen Transformator 3, dessen Primärwicklung 10 plötzlich stark leitend, der Kondensator 1 entladet mit der Wechselspannung von einer Frequenz von sich über die Diode 11, die Emitter-Kollektor-Strecke z. B. 2500 Hz gespeist ist und dessen Sekundärwick- des Gleichrichters 10 und die Primärwicklung des lung mit einer Mittelanzapfung versehen ist. Zwi- 25 Transformators 12, bei gesperrter Diode 13, und ersehen dieser Anzapfung und dem gemeinsamen zeugt einen Stromimpuls /₍. mit scharfer Vorder-Punktyi von zwei mit den Enden der Sekundärwick- flanke durch diese Wicklung. Ist der Wert des Widerlung verbundenen Gleichrichtern 4 und 4', z. B. Halb- Standes 2 verhältnismäßig klein, dann fließt danach leiterdioden des Typs OA 211, erscheint eine Gleich- nach Entladung des Kondensators 1 ein verhältnisspannung V_A der in der ersten Zeile der Fig. 2 30 mäßig großer Ruhestrom durch diesen Widerstand, gezeigten Form. Diese Gleichspannung mit Wechsel- die Diode 11, die Emitter-Kollektor-Strecke des Spannungskomponente hat z. B. einen Scheitelwert Gleichrichters 10 und die Primärwicklung des Transvon 105 Volt. Durch einen Widerstand 5 von z. B. formators 12. Erst am Ende des Spannungsimpulses 1,8 kOhm wird sie an den Klemmen eines Spannungs- V_n hört dieser Reststrom auf zu fließen und wird teilers, bestehend aus drei in Reihe geschalteten 35 der Gleichrichter 10 wieder nichtleitend, so daß der Zenerdioden 6, 7 und 8, zugeführt. Die Diode 6, Kondensator 1 am Beginn des folgenden Spannungsz. B. des Typs OAZ 200, hat eine Zenerspannung
von 5,2 Volt, und die Dioden 7 und 8 z. B. des
Typs OAZ 203, haben je eine Zenerspannung von
6,3 Volt. Durch den Spannungsteiler 6 bis 8 wird 40
somit die Spannung V_n am Punkt B während des

größten Teiles jeder Halbwelle der Wechselspannung Vj auf einen Wert von 17,8 Volt begrenzt und stabilisiert. Die flachen Teile der Spannungsimpulse V_n haben somit eine Dauer von je 200 — 2 · 10,8 = 178,4 nsec, während ein Strom von höchstens

— > _/ioc~a a—u a— Spannungsteiler6

^r = 48,5 mA durch den

bis 8 fließt. Parallel mit der Zenerdiode 8 ist ein

Widerstand 9 von z. B. 3,9 kOhm geschaltet, und die 50 torstrom von etwa Reihenschaltung des Kondensators 1 und des Lade- Kollektorstrom von

impulses V_n über den Widerstand 2 wieder aufgeladen werden kann. Überschreitet jedoch der Widerstand 2 einen kritischen Wert R_K, so ist der Rest-

^B kleiner als der Haltewert des Emitter-

stromes des gesteuerten Gleichrichters 10. Bei der rückwärtigen Vorspannung V_n von 6,3 Volt über, der Diode 8 und bei dem angenommenen Wert von 6,8 kOhm des Widerstandes 14 ist der rückwärts gerichtete Steuerelektronenstrom —l_B ungefähr gleich 0,93 mA. Bei dem für den gesteuerten Gleichrichter des Typs ATZ 10 minimalen Emitter-Kollektor-Stromverstärkungsfaktor η von 2,2 bei einem Kollek-2 mA entspricht dies einem 1,74 mA und einem Emitter

widerstandes 2 liegt parallel zum gesamten Span- strom von 0,77 mA. Der höchste Wert R_K des Widernungsteiler 6 bis 8. Standes 2, bei welchem der gesteuerte Gleichrichter

Am gemeinsamen Punkte des Ladewiderstandes 2 nach Entladung des Kondensators 1 noch leitend und des Kondensators 1 ist der Emitter eines gesteu- 55 bleibt, entspricht diesem »Haltestrom« bei der Spanerten Halbleitergleichrichters 10, ζ. B. des Typs nung von 17,8 Volt zwischen den Punkten B und E ATZ 10, über eine Schutzdiode 11, z. B. eine Siliziumdiode des Typs OA 202, angeschlossen. Der Kollektor des gesteuerten Gleichrichters 10 ist verbunden

nach Abzug der Schwellenspannung der Diode 11 und der Emitterschwellenspannung des gesteuerten Gleichrichters 10. Es ergibt sich:

mit der anderen Klemme E des Kondensators 1 über die Primärwicklung eines Ausgangsimpulstransformators 12, wobei diese Wicklung durch eine Diode 13, z. B. des Typs OA 202, überbrückt ist, und seine Steuerelektrode ist über einen Widerstand 14 von

R_k =

0,77

₌ 21.5kOhm.

Wird hingegen der Widerstand 2 zu klein, so sperrt der gesteuerte Gleichrichter 10 überhaupt nicht mehr. "_λζ. B. 6,8 kOhm an den Punkt D des Spannungs- 65 Das Zeitintervall, während welches sein Emittertfilers 6 bis 8 angeschlossen. strom kleiner wird als der Haltewert dieses Stromes,

"Die Siliziumdiode 11 schützt den gesteuerten ist kürzer als z. B. 100 usec, so daß die aufge-Gleichrichtej 10 vor einer allfällig auftretenden zu speicherten Ladungsträger keine Zeit mehr haben,

aus dem Gleichrichter abzufließen. Sein Emitterstrom und sein Basisstrom und damit auch sein Kollektorstrom nehmen bloß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spannungsimpulsen V_B im Punkt B etwas ab und dann wieder zu, und es werden keine scharfen Stromimpulse I_c mehr durch die Primärwicklung des Ausgangstransformators 12 erzeugt.

Bei der gewählten Frequenz von 2500 Hz und bei den gewählten Spannungsverhältnissen ist dies bereits bei einem Wert R₁, _min etwas kleiner als R_k der Fall, denn die minimale Löschzeit der gegenwärtig zur Verfügung stehenden gesteuerten Gleichrichter ist etwa gleich 20 μββΰ, also von der Größenordnung der Zeitintervalle t₂ — f/, t.₂' — t" usw. = 21,6 μβεα

Im beschriebenen Generator wird der Gleichrichter 10 somit immer nach vollzogener Entladung des Kondensators 1 wieder nichtleitend, so daß dieser Kondensator sich während desselben Gleichspannungsimpulses V₈ wieder aufzuladen beginnt. Am Beginn des folgenden Gleichspannungsimpulses V₈ ist er bereits teilweise geladen, so daß er den Ladezustand, bei dem der gesteuerte Gleichrichter 10 wieder leitend wird, schneller erreicht: Die erzeugten Ausgangsstromimpulse I₁. werden nicht durch die Wechselspannungskomponente der Ladespannung V_B synchronisiert, oder jedenfalls ändert sich stets ihre Phasenlage in bezug auf diese Wechselspannungskomponente, wie gezeigt auf den linken Teil der vierten und sechsten Zeilen (V₁. bzw. I_c) der F i g. 2.

Im beschriebenen Generator wurde der minimale Wert des Widerstandes 2 gleich 39 kOhm gewählt, so daß ein Leitendbleiben des Gleichrichters 10 nach Erzeugung eines Stromimpulses I₁. mit Sicherheit vermieden wird.

Dementsprechend darf der Kondensator 1 nicht zu groß gewählt werden, weil die minimale Dauer seiner Ladung und damit die minimale Verzögerung der /,.-Impulse in bezug auf den Nulldurchgang der Wechselspannung V₁ dann unerwünscht groß wäre. Der maximale Wert des Kondensators 1 wird überdies noch begrenzt durch die maximal zulässige Verlustleistung im gesteuerten Gleichrichter 10, und andererseits muß seine Kapazität doch auch groß sein in bezug auf diejenige der Diode 11 und/oder in bezug auf die Emitterkapazität des gesteuerten Gleichrichters 10. Mit den gewählten Werten von ^2 min = 39kOhm und C₂= 68OpF ergibt sich für die Aufladung auf 7,5 Volt durch eine Spannungsquelle mit einer Spannung von 17,8 Volt eine Ladezeit T von 680 · 10-¹² · 39 · 10³ · 0,54 = 14,4 μβεΰ so oder bei Annahme einer linearen Zunahme der Spannung V_B zwischen dem Nulldurchgang von F₁- und dem Zeitpunkt t_v t( usw. eine etwas größere Ladezeit von ungefähr 20 μββΰ, was einer minimalen Phasenverzögerung von 18° entspricht.

Ist hingegen die Diode 8, wie gezeigt, durch den Widerstand 9 und nicht durch einen Kondensator überbrückt, so ist die Spannung über dieser Diode nicht mehr konstant, sondern sinkt auf Null während der Zeitintervalle t_o—fj' usw., während welchen die Spannung F₄ kleiner wird als die Summe der Zenerspannungen der Dioden 6, 7 und 8. Während dieser Zeitintervalle arbeitet der gesteuerte Gleichrichter 10 somit mit einer Vorspannung Null an seiner Steuerelektrode, und er wird wieder leitend, sobald die Spannung am Punkt C die Summe seiner Emitterschwellenspannung und der Schwellenspannung der Diode 11, also etwa 1,2 Volt überschreitet. Infolgedessen, falls der Kondensator 1 während des Endteiles eines Spannungsimpulses V_B wieder aufgeladen wird, wird derselbe Kondensator während der Rückflanke dieses Impulses über den Gleichrichter 10 wieder entladen, so daß er am Beginn des folgenden Spannungsimpulses V₈ entladen ist, unabhängig vom eingestellten Wert des Ladewiderstandes 2. Die Phasenlage der ersten /(.-Impulse in bezug auf die Spannungsimpulse F_ß ist infolgedessen bei gegebenen Werten des Widerstandes 2 und des Kondensators 1 unveränderlich. Der meistens kleinere andere Rückstellimpuls I_c fällt stets zeitlich in die Nähe des Nulldurchganges der Eingangswechselspannung V₁, so daß er für die meisten Anwendungen nicht störend wirkt. Dies zeigt der rechte Teil der vierten und sechsten Zeilen der F i g. 2. Bei kleineren Werten des Widerstandes 2, wobei der gesteuerte Gleichrichter 10 jedoch nach dem ersten Impuls wieder nichtleitend wird, werden unter Umständen ein oder mehrere zusätzliche Impulse zwischen jeden ersten und jeden Rückstellimpuls erzeugt. Für die meisten Anwendungen sind jedoch auch diese zusätzlichen Impulse ohne Bedeutung. Das wichtige Ergebnis, das mit der beschriebenen Schaltung erreichbar ist, ist die Möglichkeit, die Phasenlage des ersten Stromimpulses in bezug auf die Eingangswechselspannung innerhalb des Bereiches J₁ bis i₂ der Gleichspannungsimpulse V₈ zu regeln, d. h. innerhalb eines Bereiches von z. B. 18 bis 176°.

Die beschriebene Schaltung kann vorteilhaft für die Steuerung einer Wechselstrom- und/oder Wechselspannungs-Regel- und/oder -Stabilisierungseinrichtung verwendet werden, welche mit Stromtoren und auf dem Prinzip des Phasenanschnitts arbeitet. Sie kann auch in einer Gleichstrom- und/oder Spannungs-Regel- und/oder -Stabilisierungseinrichtung angewendet werden, welche mit Stromtoren und auf dem Prinzip der Regelung des Verhältnisses zwischen der Öffnungszeit und einer willkürlich gewählten Periodendauer (Periode einer Hilfsschwingung) arbeitet.

In beiden Fällen kann der veränderliche Widerstand 2 bequem durch die Emitter-Kollektor-Strecke eines gesteuerten Transistors gebildet sein. Zum Beispiel kann man die Emitter beider Transistoren eines Transistorpaares über einen Kopplungswiderstand mit dem Punkt B verbinden, den Kollektor eines ersten dieser Transistoren an den Punkt C und denjenigen des anderen Transistors über einen Widerstand an den Punkt E anschließen, eine Steuerspannung an die Basis des ersten und eine Bezugsspannung an die Basis des anderen Transistors legen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Impulsgenerator mit einem Kondensator, der über einen Ladewiderstand durch eine Gleichspannung aufgeladen wird und bei Erreichen einer bestimmten Ladespannung über die Hauptstromstrecke eines gesteuerten Halbleitergleichrichters und einen zwischen der Ausgangselektrode dieses Gleichrichters und einer Klemme des Kondensators eingeschalteten Belastungskreis entladen wird und dabei einen Stromimpuls durch diesen Belastungskreis erzeugt, wobei zur Synchronisierung der erzeugten Stromimpulse mit einer Wechselspannung eine Gleichspannung mit einer aus dieser Wechselspannung abgeleiteten

Wechselspannungskomponente zur Aufladung des Kondensators verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des Gleichrichters über einen zweiten Widerstand mit dem gemeinsamen Punkt des Belastungskreises und des Kondensators und über ein erst oberhalb eines Schwellenwertes der an seinen Klemmen wirksamen Spannung leitendes Element, vorzugsweise über eine Zenerdiode, mit der vom Kondensator abgewendeten Klemme des Ladewiderstandes verbunden ist, das Ganze derart, daß das oberhalb einer Schwellenspannung leitende Element vor jeder Halbwelle der Wechselspannungskomponente mit dem gleichen Vorzeichen wie die Gleichspannung nichtleitend ist, so daß eine am Kondensator liegende Spannung über den zweiten Widerstand und in der Vorwärtsrichtung zwischen Steuerelektrode und Emitter des Gleichrichters wirksam wird und den Gleichrichter leitend macht, welcher somit ein Rückstellen des Kondensators in den ungeladenen Zustand vor dem Beginn jeder dieser Halbwellen der Wechselspannungskomponente gewährleistet.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorwiderstand zwischen der Quelle von Gleichspannung mit Wechselspannungskomponente und der Reihenschaltung des oberhalb einer Schwellenspannung leitenden Elementes und des zweiten Widerstandes eingeschaltet ist und daß ein zweites oberhalb einer Schwellenspannung leitendes Element, vorzugsweise eine zweite Zenerdiode, mit dem zweiten Widerstand parallel geschaltet ist, so daß die Spannung an der Reihenschaltung beider oberhalb einer Schwellenspannung leitenden Elemente und an der Reihenschaltung des Kondensators und des Ladewiderstandes während jeder Halbwelle der Wechselspannungskomponente mit dem gleichen Vorzeichen wie die Gleichspannung auf einen Wert gleich der Summe der Schwellenspannungen beider Elemente begrenzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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