-
Gleichspannungswandler mit Transistoren Die Erfindung bezieht sich
auf einen Gleichspannungswandler zur Umwandlung einer niedrigen Gleichspannung in
eine hohe Gleichspannung, bestehend aus einer Wechselrichterschaltung mit zwei im
Gegentakt arbeitenden Transistoren, welche einen Transformator enthält mit einer
primärseitigen, mittelangezapften Arbeitswicklung, deren Wicklungshälften über eine
Gleichspannungsquelle in Reihe mit der Kollektor-Emitter-Strecke jeweils eines Transistors
liegen, mit einer Sekundärwicklung, an welche ein Gleichrichter zur Gewinnung der
hohen Gleichspannung angeschlossen ist, und mit einer mittelangezapften Spannungsmitkopplungswicklung
zur Selbsterregung des Wechselrichters, deren Wicklungsenden jeweils an eine Basiselektrode
der beiden Transistoren angeschlossen sind und deren Mittelanzapfung über ein RC-Glied
an die Mitte der mit ihren Wicklungsenden an den Kollektoren liegenden Arbeitswicklung
angeschlossen ist.
-
In Geräten der Nachrichtentechnik werden gelegentlich verhältnismäßig
hohe Gleichspannungen benötigt, die durch bekannte Gleichspannungswandler aus niedrigen
Gleichspannungen gewonnen werden. Es ist bereits bekannt, die niedrigen Gleichspannungen
mittels Transistoren periodisch zu unterbrechen, aus diesen durch Transformation
hohe Spannungen zu erzeugen und diese gleichzurichten. Zur Erzeugung der Wechselspannung
werden in bekannten Schaltungen zwei Leistungstransistoren benutzt, die abwechselnd
voll leiten oder sperren und so die Batteriespannung wechselweise an die beiden
Wicklungshälften der in der Mitte angezapften Arbeitswicklung legen. Die beiden
Wicklungshälften der in der Mitte angezapften Rückkopplungswicklung bewirken eine
den Wechselrichter selbsterregende Mitkopplung und liefern die positiven Vorspannungs-
und Sperrsignale an die Basiselektroden der Transistoren.
-
Ferner ist eine Schaltung eines Transistorspannungswandlers bekannt,
bei dem im Kollektor-Emitter-Kreis jedes Transistors eine kleine Induktivität in
Reihe mit einem Schwingungskreis, bestehend aus einer Kapazität und der in den Kollektorkreisen
der Transistoren wirksamen Induktivität, geschaltet ist. Mit dieser Schaltung sollen
Schwierigkeiten beseitigt werden, die infolge der Streuungen der Einschalt- und/oder
Abschaltzeiten und der Schwankungen der Stromverstärkungsfaktoren verschiedener
Transistoren bestimmten Typs auftreten. Ein Schutz der Transistoren bei zunehmender
Belastung wird mit dieser Anordnung nicht erreicht.
-
In manchen Fällen, insbesondere bei Erzeugung hoher Gleichspannungen
für Fernsehkameras, ergeben sich gelegentlich Stoßbelastungen, welche die Transistoren
der Wechselrichterschaltung gefährden oder sogar zerstören können.
-
Die Erfindung bezweckt, einfache Schaltmaßnahmen anzugeben, mit denen
ohne nennenswerten zusätzlichen Aufwand eine Gefährdung der Transistoren bei kurzzeitigen
Überlastungen des Gleichspannungswandlers mit hinreichender Sicherheit vermieden
wird, ohne daß durch diese Schaltmaßnahmen der Innenwiderstand des Wandlers im normalen
Belastungsbereich vergrößert wird: Erfindungsgemäß besteht bei der eingangs genannten
Wechselrichterschaltung die primärseitige Arbeitswicklung aus zwei in der Mitte
angezapften Wicklungen, und die Enden der einen Wicklung sind in gegenkoppelndem
Sinn an die Emitter und die Enden der anderen Wicklung an die Kollektoren der zwei
im Gegentakt arbeitenden Transistoren angeschlossen. Ferner ist zwischen der Mitte
der an die Kollektoren angeschlossenen Arbeitswicklung und der Mitte der an die
Emitterelektroden angeschlossenen Arbeitswicklung die Gleichspannungsquelle geschaltet,
die im Fall der Verwendung von p-n-p-Transistoren die Mitte der an die Kollektoren
angeschlossenen Arbeitswicklung negativ und im Fall der Verwendung von n-p-n-Transistoren
positiv gegen die Mitte der anderen Wicklung vorspannt.
-
Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird erreicht, daß
die Transistoren bis an die strommäßige Belastungsgrenze voll durchschalten und
im Fall einer kurzzeitigen Überlastung des Spannungswandlers der Strom durch die
Transistoren begrenzt wird. Durch diese Strombegrenzung bildet sich zwar eine Spannung
an den Transistoren aus, so daß in den Transistoren bei der genannten Überlastung
mehr Leistung umgesetzt wird. Da jedoch die überlastung voraussetzungsgemäß sehr
kurz ist, stört letzteres nicht. Ohne die erfindungsgemäße Maßnahme würden die Transistoren
durch die durch die überlastung
hervorgerufenen hohen Ströme zerstört
werden. Unterhalb der Belastungsgrenze dagegen ergibt sich ein geringer Innenwiderstand
des Wandlers und eine geringe leistungsmäßige Belastung der Transistoren.
-
Besonders bei der Hochspannungserzeugung in Fernsehaufnahmekameras
ist es wichtig, daß der Innenwiderstand dieser Spannungsquelle bei kleineren Lastschwankungen
nicht beeinflußt wird, damit dadurch der Strahlstrom der Röhre nicht schwankt. Außerdem
sollen aber auch die Transistoren gegen die bei der Zuschaltung der (mehrere Kondensatoren
enthaltenden) Hochspannungsschaltung auftretenden Stoßbelastungen geschützt werden.
Diese beiden Forderungen, nämlich kleiner Innenwiderstand der Spannungsquelle bei
Normalbetrieb bzw. kleinen Schwankungen und großer Innenwiderstand bei Belastungsstößen,
werden durch die erfindungsgemäße Schaltung weitgehend erfüllt.
-
Es sind zwar auch schon Wechselrichterschaltungen bekannt, bei denen
die Enden einer in der Mitte angezapften Wicklung an die Emitter zweier im Gegentakt
arbeitenden Transistoren angeschlossen sind. Diese Wicklung wirkt jedoch nicht als
Gegenkopplung, sondern als Mitkopplung zur Selbsterregung. Ein Schutz der Transistoren
wird also bei den bekannten Schaltungen nicht durch eine zusätzliche Gegenkopplungswicklung
erreicht.
-
Lediglich eine dieser Schaltungen schützt die Transistoren vor Überlastung
durch Einschaltung eines Basiswiderstandes, der den Basisstrom begrenzt. Bei einer
Lastzunahme und damit steigendem Kollektorstrom der Transistoren kann dabei der
Basisstrom nicht mit ansteigen. Dadurch erhöht sich der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke
der Transistoren, und es erfolgt eine Begrenzung des Kollektor-Emitter-Stromes.
Diese Arbeitsweise ist jedoch nachteilig, da der Innenwiderstand des Gleichspannungswandlers
relativ hoch ist und proportional mit der Belastung zunimmt. Dadurch beeinflussen
auch schon kleinere, für die Transistoren an sich unschädliche Lastschwankungen
den Innenwiderstand des Gleichspannungswandlers.
-
Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels
erläutert. In der Figur der Zeichnung ist ein Gleichspannungswandler dargestellt,
der aus einer Batterie 1 von 12 Volt die zum Betrieb einer Fernsehaufnahmeröhre
erforderliche positive Spannung von 1500 Volt sowie eine zusätzliche negative Hilfsspannung
von 500 Volt liefert. Der Gleichspannungswandler enthält einen Wechselrichter, der
aus dem Transformator 2 und den beiden im Gegentakt arbeitenden Transistoren 3 und
4 (AC 124) besteht.
-
Die Primärseite des Transformators 2 umfaßt drei in der Mitte angezapfte
Wicklungen, deren Enden jeweils mit einander entsprechenden Elektroden der beiden
Transistoren 3 und 4 verbunden sind. Die Enden der Arbeitswicklung 5 sind an die
Kollektoren der Transistoren 3 und 4 und die Mittelanzapfung an den negativen Pol
der Batterie 1 angeschlossen. Die in mitkoppelndem Sinn wirkende und die Selbsterregung
des Wechselrichters bewirkende Rückkopplungswicklung 6 ist mit ihren Enden mit den
Basiselektroden der beiden Transistoren und mit ihrer Mittelanzapfung über ein RC-Glied,
bestehend aus dem Widerstand 7 und dem Kondensator 8, mit dem negativen Pol der
Batterie 1 verbunden. Die Emitter der Transistoren 3 und 4 sind an die Enden der
Gegenkopplungswicklung 9 angeschlossen, während die Mitte dieser Wicklung mit dem
Pluspol der Batterie 1 verbunden ist.
-
Die nach dem Einschalten des Wechselrichters in den Wicklungen
5,6 und 9 erzeugten Spannungen sind so gerichtet, daß bei Aussteuerung des
Transistors 3 der Transistor 4 gesperrt ist und umgekehrt.
-
Die Schwingfrequenz des Wechselrichters wird durch die Induktivitäten
und die Streukapazitäten des Transformators bestimmt. Das RC-Glied 7,8
legt
die Basisvorspannung fest und beeinflußt damit in geringem Maß die Schwingfrequenz.
-
Bei einer Belastung des Gleichspannungswandlers unterhalb der Belastungsgrenze
arbeiten die Transistoren als Schalter. Während derjenigen Halbwelle, bei der der
Transistor 3 oder der Transistor 4 leitend ist, entspricht das Emitterpotential
des betreffenden Transistors bis auf eine kleine Restspannung dem Kollektorpotential.
Die Batteriespannung wird entsprechend den Windungszahlen der Wicklungen 5 und 9
aufgeteilt. Solange der Transistor vollständig leitend ist, ist also die Spannung
an der betreffenden Hälfte der Wicklung 9 unabhängig von der Belastung des Gleichspannungswandlers.
-
Die Größe der in der Wicklung 6 induzierten Rückkopplungsspannung
ist dagegen belastungsabhängig. Sie fällt mit steigender Belastung. Bei normaler
Belastung des Gleichspannungswandlers soll die Rückkopplungsspannung groß sein,
damit die Transistoren voll leitend werden. Durch die Abnahme der Rückkopplungsspannung
bei zunehmender Belastung wird von einer bestimmten Belastung ab die Rückkopplungsspannung
zu klein, um die Transistoren ganz durchzuschalten. Um jedoch die strommäßige Belastbarkeit
der Transistoren möglichst weitgehend auszunutzen, soll der genannte Übergang möglichst
plötzlich erfolgen. Dies wird durch die Erfindung erreicht.
-
Zur Veranschaulichung dieser Vorgänge wird von einem bekannten Gleichspannungswandler
ausgegangen, der nicht die Gegenkopplungswicklung 9 aufweist. Auch bei diesem wird
in einer der Mitkopplungswicklung 6 entsprechenden Wicklung eine Mitkopplungsspannung
induziert, die bei normalem Betrieb groß genug ist, um die Transistoren voll auszusteuern.
Mit zunehmender Belastung des Spannungswandlers nimmt die Mitkopplungsspannung allmählich
ab, so daß der Übergang zum nicht vollständigen Durchschalten der Transistoren ebenfalls
allmählich erfolgt und die Belastungsgrenze durch die Exemplarstreuung der Transistoren
einer weiten Streuung unterworfen ist.
-
Durch das Einbringen der Gegenkopplungswicklung 9 in den erfindungsgemäßen
Gleichspannungswandler muß die Windungszahl der Mitkopplungswicklung 6 entsprechend
erhöht werden. Die relative Abnahme der Mitkopplungsspannung bei zunehmender Belastung
ist die gleiche wie bei einem Gleichspannungswandler ohne Gegenkopplungswicklung
9. Die absolute Abnahme ist jedoch durch den größeren Betrag der Mitkopplungsspannung
wesentlich größer.
-
Die Steuerspannung der Transistoren ist folglich bei dem erfindungsgemäßen
Gleichspannungswandler in starkem Maß von der Belastung abhängig. Dadurch wird erreicht,
daß die Transistorstrombegrenzung bei steigender Belastung relativ plötzlich einsetzt.
Der Gleichspannungswandler kann also bis
nahe an die durch die Strombelastbarkeit
der Transistoren bedingte Grenze belastet werden, wobei sein Innenwiderstand und
die Leistungsaufnahme der Transistoren klein bleibt, ohne daß bei kurzzeitiger überlastung
die Transistoren durch Stromstöße gefährdet oder zerstört werden.
-
Die Sekundärseite des Transformators 2 umfaßt eine Heizwicklung 11
zur Heizspannungsversorgung einer Gleichrichterröhre 12 (Ey 51) und eine angezapfte
Hochspannungswicklung 13 zur Erzeugung der gleichzurichtenden Hochspannung. Das
eine Ende der Wicklung 13 ist mit der Anode der Gleichrichterröhre 12 und das andere
Ende mit den Ladekondensatoren 14,15 verbunden. An die Anzapfstelle ist eine Halbleiterdiode
16 (SS 13) angeschlossen, die mit einer zum Gleichrichter 12 entgegengesetzten Durchlaßrichtung
gepolt ist. Diese Schaltungsweise ist vorteilhaft, weil sie eine gewisse Symmetrierung
der Belastung für die primärseitigen Transistoren schafft. An den Klemmen
17 und 19 ist die gewünschte positive Spannung von z. B. 1500 Volt
und an den Klemmen 18 und 19 die zusätzliche negative Hilfsspannung von z. B. 500
Volt abnehmbar.