DE1271816B

DE1271816B - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Hochspannung

Info

Publication number: DE1271816B
Application number: DE19611271816
Authority: DE
Inventors: Franz Menke
Original assignee: Eltro GmbH and Co
Current assignee: Eltro GmbH and Co
Priority date: 1961-07-22
Filing date: 1961-07-22
Publication date: 1968-07-04

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H02m

H02p

Deutsche Kl.: 21 dl-25

Nummer: 1271816

Aktenzeichen: P 12 71 816.0-32 (E 21418)

Anmeldetag: 22. Juli 1961

Auslegetag: 4. Juli 1968

Für den Betrieb von Geräten, wie z. B. Fernsehbildröhren, Oszillographenröhren oder Bildwandlerröhren, werden Hochspannungserzeuger benötigt, die eine hohe elektrische Gleichspannung abgeben, jedoch nur sehr geringer Strombelastung unterworfen sind. Für viele Anwendungen, insbesondere, wenn es sich um transportable Geräte handelt, ist es wichtig, daß die Mittel zur Hochspannungserzeugung samt der als primäre Energiequelle benutzten Batterie (Trockenbatterie, Akkumulator) möglichst wenig Platz beanspruchen und ein möglichst geringes Gewicht besitzen.

Diesen Forderungen kann bis zu einem gewissen Grad durch die Verwendung von Gleichspannungswandlern mit Transistoren Rechnung getragen wer- den, welche die Erzeugung einer höheren Gleichspannung aus einer niedrigen Batteriespannung gestatten.

So beschreibt die französische Patentschrift 1 156 328 beispielsweise eine Vorrichtung zur Erzeu- ao gung einer hohen elektrischen Spannung mit einem batteriebetriebenen Transistor, der wie ein Impulsgenerator in Rückkopplungsschaltung arbeitet. Es handelt sich hierbei um einen sogenannten Sperrschwinger, mit welchem sich periodische Impulse bei einer relativ niedrigen Impulsfolgefrequenz erzeugen lassen und der mit einem Transformator gekoppelt ist, welcher die auftretenden Spannungsimpulse hochtransformiert. Diese liefern dann nach Gleichrichtung die gewünschte Ausgangsspannung von z. B. 1000 oder 1500V.

Weiterhin ist aus der österreichischen Patentschrift 212 438 ein transistorisierter Spannungsumformer bekannt, der als Oszillator zwei in Gegentakt geschaltete, abwechslungsweise leitende Transistoren und eine mit einer Mittelanzapfung versehene, zwischen den Kollektorelektroden der Transistoren eingeschaltete Wicklung eines Schwingtransformators aufweist, wobei die Basis- und Kollektorelektroden miteinander kreuzweise gekoppelt sind. Der bekannte Spannungsumformer dient jedoch zur Speisung von Leuchtstoffröhren, weswegen er auch schaltungsmäßig so ausgelegt ist, daß mit ihm eine verhältnismäßig hohe Ausgangsleistung erzielt werden kann und daß er in Abwesenheit einer Belastung eine viel höhere Spannung als bei normaler Belastung abgibt, ohne daß dabei die maximal zulässige Kollektorspannung überschritten wird.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Hochspannung durch Umwandlung der einer Batterie entnommenen, niedrigen Gleichspannung in eine hohe Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung
einer elektrischen Hochspannung

Anmelder:

EltroG.m.b.H.&Co.,

Gesellschaft für Strahlungstechnik,

6900 Heidelberg, Schloßwolfsbrunnenweg 33/35

Als Erfinder benannt:

Franz Menke, 6903 Neckargemünd

Gleichspannung unter Verwendung eines transistorisierten, in Gegentaktschaltung betriebenen Oszillators, eines Schwingtransformators sowie eines Spannungsvervielfachers.

Bei der Erfindung wird davon ausgegangen, daß es sich bei der als primäre Energiequelle benutzten Batterie beispielsweise um eine kleine Monozelle von 1,5 V = Nennspannung handelt, welche besonders raum- und gewichtssparend ist.

Da eine solche Batterie aber andererseits nur eine kleine Entladekapazität besitzt, darf ihr nur eine geringe Leistung entnommen werden, um eine ausreichend lange Betriebsdauer des Gleichspannungswandlers zu gewährleisten. Das bedeutet, daß die primärseitige Stromaufnahme im Gleichspannungswandler möglichst gering gehalten werden muß.

Demgegenüber besteht aber auch die Forderung, für einen möglichst guten Wirkungsgrad der Schaltung zu sorgen. Aus den Eigenschaften der Transistoren geht indes hervor, daß ein Transistor-Oszillator nur dann mit gutem Wirkungsgrad arbeitet, wenn der Schwingstrom ausreichend hoch ist. Das Verhältnis der vom Schwingtransformator an den Spannungsvervielfacher abgegebenen Leistung zu der aus der Batterie entnommenen Leistung wird mit zunehmendem Schwingstrom günstiger. Es ist aber infolge des durch die niedrige Batteriespannung bedingten relativ hohen Verhältnisses von Restspannung zu Batteriespannung und infolge der Tatsache, daß durch die Belastung des Gleichspannungswandlers, z. B. bei Bildwandlerröhren, nur eine sehr kleine Ausgangsleistung gefordert wird, nicht möglich, einen zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades ausreichend hohen Schwingstrom zu erhalten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Hochspannung durch Umwandlung der einer Batterie entnommenen, niedrigen Gleichspannung in eine hohe Gleichspannung, bei welchem ein transi-

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Claims

storisierter, in Gegentaktschaltung betriebener Oszilla- Der Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers

tor, ein Schwingtransformator sowie ein Spannungs- hängt aber nur davon ab, wie hoch der Schwingstrom vervielfacher verwendet werden, für einen optimalen während der Zeitabschnitte T₁ ist. Da während

Wirkungsgrad, d. h. also für ein optimales Verhältnis dieser Zeitabschnitte der Oszillator mit einem

von Ausgangsleistung zu der aus der Batterie ent- 5 Schwingstrom betrieben wird, der höher ist, als es

nommenen Leistung, auch dann zu sorgen, wenn aus für das ununterbrochene Durchschwingen notwendig

den oben dargelegten Gründen kein ausreichend wäre, ist ein entsprechend hoher Wirkungsgrad

hoher Schwingstrom für das dauernde Durchschwin- sichergestellt, ohne daß der Batterie eine zu hohe

gen des Oszillators zur Verfügung steht. Dauerleistung entnommen werden muß, die eine zu

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch io schnelle Entladung der Batterie zur Folge hätte,

gelöst, daß das Schwingen des Oszillators periodisch Über den Schwingtransformator wird ein mit

unterbrochen wird. Halbleitergleichrichtern bestückter Spannungsverviel-

Das erfindüngsgemäße Verfahren gestattet infolge- fächer in Kaskadenschaltung (Greinacher-Kaskade)

dessen die Verwendung eines hohen Schwingstroms gespeist, an dessen Ausgang die gewünschte hohe

und bietet damit die Möglichkeit, den Wirkungsgrad 15 Gleichspannung auftritt. Die Impulsfolgezeit T₂ wird

der Schaltung ganz erheblich zu verbessern. am besten so gewählt, daß die Klemmenspannung am

Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt an Kaskadenausgang unter der gegebenen Belastung

Hand der Zeichnungen. durch den Verbraucher um einen Betrag abfällt, der

Fig. 1 und 3 zeigen verschiedene Vorrichtungen noch zulässig ist, die ZeItT₁ so, daß am Ende des

zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 20 Öszillatorschwingens die gewünschte Klemmenspan-

im Rahmen von Ausfuhrungsbeispielen; nung wieder erreicht ist.

F i g:- 2 stellt ein dazugehöriges Strom-Zeit-Dia- Die Impulsfolgezeit T₂ ist bei der Vorrichtung ge-

gramm dar. maß Fig. 1 temperaturabhängig, da sich mit der

Ein Oszillator mit zwei in Gegentakt geschalteten Temperatur die Arbeitspunkte der Transistoren verTransistoren wird gemäß F i g. 1 von einer kleinen 25 schieben. Bei relativ tiefen Temperaturen, z. B. bei Batterie (1,5 V = Nennspannung) gespeist. Der Mi- Temperaturen um — 30⁰C, ist daher die Konstanz nuspol der Batterie ist mit der Mittelanzapfung einer des Tastverhältnisses T₁ZT₂ in Frage gestellt, zwischen die Kollektoren geschalteten Primärwick- Im Interesse einer temperaturstabilisierten Arbeitslung eines Schwingtransformators verbunden, wäh- weise wird eine weitere Vorrichtung zur Durchführend die Emitter der beiden Transistoren an den 30 rung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschla-Pluspol der Batterie gelegt sind. Zur Unterbrechung gen, bei der zur Unterbrechnung der Oszillatordes Schwingens des Oszillatorstroms ist in dem schwingungen in dem Steuerstromkreis der Gegen-Steuerstromkreis der Gegentakt-Transistoren eine takt-Transistoren eine als elektronischer Schalter Parallelschaltung aus einem Widerstand Al und dienende freischwingende Multivibratorschaltung einem Kondensator Cl vorgesehen. Die Basen der 35 gemäß F i g. 3 vorgesehen ist. Diese ersetzt die Kom-Transistoren sind dabei jeweils über eine Rückkopp- binationi?l und Cl zwischen den Punkten A und .B lungswicklung des Schwingtransformators und über der Schaltung gemäß Fig. 1. Die ZeHT₁ ist dabei den an die Mittelanzapfung der Rückkopplungswick- durch passende Wahl eines Widerstandes Rl und lung angeschlossenen Widerstand Rl an den Minus- eines Kondensators Cl einstellbar, die Zeit T₂ durch pol der Batterie gelegt. 40 passende Wahl von Widerständen R4 und RS. Der

Auf Grund dieser Maßnahme werden die Tran- Multivibrator weist außerdem zwei Transistoren so-

sistoren abwechslungsweise von einem hohen wie Widerstände R3, R 6 und Kondensatoren C3, C4

Schwingstrom durchflossen, und zwar so lange, bis auf. Der mit dem Multivibrator gesteuerte Oszillator

der parallel zum Widerstand R1 geschaltete Konden- arbeitet im Bereich von -3O⁰C bis +6O⁰C mit

sator Cl aufgeladen ist. 45 völlig gleichmäßigen Tastverhältnissen T₁IT₂.

Das periodische Unterbrechen des Schwingstroms Der Betrieb des Gegentakt-Oszillators mit hohem ist in der F i g. 2 graphisch dargestellt. Die Zeiten T₁, Schwingstrom während der Zeitabschnitte T₁ bringt während denen der Oszillator mit vollem Schwing- den weiteren Vorteil, daß es leicht möglich ist, den strom betrieben wird, sind durch die Wahl des Schwingtransformator so zu dimensionieren, daß er Widerstandes R1 und des Kondensators Cl festge- 50 in den Stromspitzen magnetisch gesättigt ist. Die legt. Nach Ablauf der Zeit T₁ ist der Kondensator Stromspitzen werden damit auf einen von den Trans-Cl stets aufgeladen, so daß die Transistoren nun- formatordimensionen bestimmten Wert beschnitten, mehr völlig gesperrt werden und der Schwingstrom so daß bei einer temperaturbedingten Verschiebung auf den Wert 0 herabgeht. Er bleibt für die Zeitab- der Arbeitspunkte der Gegentakt-Transistoren trotzschnitte (T₂ — T₁) stets vollständig unterbrochen, da 55 dem eine konstante Form des zeitlichen Schwingsich während dieser Zeitabschnitte der Kondensator Stromverlaufs und damit eine konstante Hochspan-Cl wieder langsam auflädt, bis am Ende einer nung am Ausgang des Spannungsvervielfachers geZeit T₂ der Oszillator wieder mit vollem Schwing- währleistet ist.

strom anschwingt. Diese Vorgänge laufen perio- Anstatt die periodische Unterbrechung des Oszilla-

disch ab. 60 tors mittels einer Multivibratorschaltung durchzufüh-

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist es ren, können dafür aber auch andere ähnlich wirkende

möglich, daß im Mittelwert jeweils für die Zeit, wäh- Maßnahmen, beispielsweise solche elektromecha-

rend der die Vorrichtung zur Hochspannungserzeu- nisoher Art, ergriffen werden,

gung in Betrieb genommen ist, primärseitig nur ein ..

niedriger Strom aus der Batterie entnommen wird. 65 Patentansprüche:

Der Mittelwert des Schwingstroms ergibt sich durch 1. Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen

Multiplikation des während der Zeit T₁ erzeugten Hochspannung durch Umwandlung der einer

Schwingstroms mit dem Faktor T₁IT₂, wobei T₂ > T₁. Batterie entnommenen, niedrigen Gleichspannung

in eine hohe Gleichspannung unter Verwendung eines transistorisierten, in Gegentaktschaltung betriebenen Oszillators, eines Schwingtransformators sowie eines Spannungsvervielfachers, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingen des Oszillators periodisch unterbrochen wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterbrechung des Schwingens in dem Steuerstromkreis der Gegentakttransistoren eine Parallelschaltung aus einem Widerstand (R 1) und einem Kondensator (Cl) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterbrechung des Schwingens in dem Steuerstromkreis der Gegentakt-Transistoren eine als elektronischer Schalter dienende freischwingende Multivibratorschaltung vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 095 931;
österreichische Patentschrift Nr. 212 438;
französische Patentschrift Nr. 1156 328.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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