DE1278601B - Selbsterregter Transistor-Spannungsumformer - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

BIBLIOTHEK DES DEUTSCHEN PATENTAMTES

ZZ

Int. Cl.:

H02m

H02p

Deutsche KL: 21 d2-12/03

Nummer: Aktenzeichen: Anmeldetag: Auslegetag:

P 12 78 601.5-32 (N 16945)

4. Juli 1959

26. September 1968

Selbsterregter Transistor-Spannungsumformer

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenf abrieken, Eindhoven (Niederlande) Vertreter:

Dr. H. Scholz, Patentanwalt, 2000 Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt: Johannes Jacobus Wilting, Emmasingel, Eindhoven (Niederlande)

Die Erfindung bezieht sich auf einen selbsterregten Transistor-Spannungsumformer mit einem unterkritisch gedämpften, die Arbeitsfrequenz bestimmenden Belastungskreis und einem Rückkopplungskreis, Solche Umformer sind insbesondere für die Speisung 5 einer stark schwankenden Belastung, z. B. einer Leuchtstoffröhre mit Wechselstrom verhältnismäßig hoher Frequenz, sehr gut geeignet. Dank der Tatsache, daß die Arbeitsfrequenz in der Hauptsache durch den Belastungskreis bestimmt ist und nicht, io wie bei den meisten bekannten Transistorumformern, durch die Zeit zwischen dem Beginn einer Leitungsperiode und dem Eintreten einer Sättigungserscheinung im Transformator und/oder im Transistor, können die Verluste im Transformator und im 15 Transistor klein gehalten werden.

Derartige Transistor-Spannungsumformer sind 2

ohne Rückführungsnetzwerk bekannt. Auch selbsterregte Transistor-Spannungsumformer mit einem dieser gesperrt und ein damit in Gegentakt geschal-Rückführungsnetzwerk sind bekannt, wobei jedoch ao teter zweiter Transistor leitend gemacht wird. Diese der Belastungskreis kein unterkritisch gedämpfter, Forderung ist selbstverständlicah mit einem Umfordie Arbeitsfrequenz bestimmender Belastungskreis mer, dessen Arbeitsfrequenz durch eine Sättigungsist. Es sind ferner Umformer bekannt, bei denen die erscheinung bestimmt oder beeinflußt wird, niemals Arbeitsfrequenz der Umformer durch Sättigung des zu erfüllen. Zur plötzlichen Sperrung eines Tran-Rückkopplungstransformators bestimmt wird und bei 25 sistors benötigt man andererseits scharfe Rückdenen ein Rückkopplungsnetzwerk verwendet wird, Spannungsimpulse, deren Dauer desto kleiner und wobei die Summierung der Rückkopplungs- und deren Amplitude desto größer sein muß, je höher die Rückführungsenergie sowohl mittels einer Reihen- Arbeitsfrequenz ist. Ist insbesondere diese Frequenz schaltung der Sekundärwicklungen der Transforma- von der Größenordnung der «'-Grenzfrequenz der toren wie auch mittels einer Parallelschaltung über 30 verwendeten Transistoren, so müssen die der Basis-Sekundärwicklungen erzielt werden kann. Hierdurch elektrode zugeführten Rückstromimpulse imstande sollen die magnetischen Verluste reduziert und sein, die durch Aufspeicherung freier Ladungsträger die Strombelastbarkeit der Transistoren ausgenutzt in der Basiszone verursachte Verzögerung und Abwerden, indem durch die Sättigung des Rückkopp- flachung der Enden der Kollektorstromimpulse zu lungstransformatorkerns die Dauer der Leitungs- 35 beschränken und/oder zu reduzieren. Hierzu kann Periode jedes Transistors begrenzt wird. ein i?C-Glied im Basis-Emitter-Kreis jedes der

Zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades Transistoren eines Gegentaktumformers eingeschaltet müssen nicht nur die Transformatorverluste, sondern sein, wobei die Kapazität dieses Gliedes bei der auch noch die Verluste im Transistor oder in den Arbeitsfrequenz des Umformers eine Impedanz Transistoren und auch die notwendige Erreger- 40 kleiner als der Wert seines Widerstands aufweist, leistung klein gehalten werden. Andererseits ist es Durch diese Maßnahme ist ein Voreilen des Basiserwünscht, den Umformer mit einer ziemlich hohen Stromimpulses jedes der Transistoren in bezug auf Arbeitsfrequenz zu betreiben. Dadurch werden dessen Kollektorstrom zu erreichen. Der Kollektormechanische Schwingungen eines allfälligen ferro- strom jedes Transistors blieb infolge einer Anhäumagnetischen Transformatorkerns unhörbar und für 45 fung freier Ladungsträger in dessen Basiszone nach gewisse Belastungen ist eine verhältnismäßig hohe dem Sperren der Basis-Emitter-Strecke desselben Speisefrequenz günstig. Letzteres trifft insbesondere Transistors bestehen und wurde durch einen seiner zu für Leuchtstoffröhren. Basiselektrode über die Kapazität des i?C-Gliedes

Um die Verluste im Transistor oder in den zugeführten Rückstromimpuls vor der Umkehrung Transistoren klein zu halten, muß man die Rück- 50 der Kollektorspannung des Transistors unterbrochen, kopplung derart ausbilden, daß im Augenblick des Die Erfindung setzt sich zum Ziel, eine andere,

Null-Durchgangs des Kollektorstroms des Transistors besonders vorteilhafte Lösung des Problems des

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plötzlichen Umschaltens des Transistors oder der Wirkungsweise eines Umformers nach der Erfindung Transistoren eines Spannungsumformers des eingangs zeigt.

definierten Typs im Augenblick des Null-Durch- Fig· 1 stellt eine erste Ausführungsform des

ganges des Kollektorstromes anzugeben, und sie ist Spannungsumformers nach der Erfindung schemadadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen dem 5 tisch dar. Dieser Umformer besitzt zwei in Gegentakt Basiskreis des Transistors geschaltetes, nichtlineares geschaltete Transistoren 1 und 2 und einen AusNetzwerk mit geringem Aussteuerungsbereich vor- gangstransformator 3 mit einer Primärwicklung 4, gesehen ist. welche mit einer Mittelanzapfung versehen ist. Diese

Es ist ein wohl selbsterregter Transistor-Spannungs- Mittelanzapfung ist mit der negativen Klemme einer umformer mit einem zwischen dem Belastungskreis io Speisespannungsquelle 8 verbunden, während die und dem Basiskreis des Transistors geschalteten beiden Enden der Primärwicklung 4 mit den Kolleknichtlinearen Netzwerk (Rückführungstransformator) torelektroden der Transistoren 1 bzw. 2 verbunden bekannt, wobei jedoch die Dauer der Leitungs- sind. Die Emitterelektroden der Transistoren 1 und 2 periode jedes Transistors durch die Dauer der Zu- liegen unmittelbar an der positiven Klemme der Speisenahme des Stromes durch dieses Netzwerk bis zu 15 quelle 8, und ein Spannungsteiler mit Widerständen 9 einem Sättigungswert bestimmt wird. und 10 ist über dieser Quelle geschaltet. Der Aus-

Beim Umformer nach der Erfindung wird dem- gangstransformator 3 besitzt noch eine Ausgangsgegenüber die Dauer jedes Kollektorstromimpulses wicklung 5 und zwei Rückkopplungswicklungen 6 durch den unterkritisch gedämpften Belastungskreis und 7, mittels welchen eine kreuzweise regenerative bestimmt, und der Aussteuerbereich des nichtlinearen ao Rückkopplung zwischen den Kollektor und Basis-Elementes bestimmt durch Umkippen nur die Zeit- kreisen der Transistoren 1 und 2 bewerkstelligt wird, verzögerung zwischen der Umkehrung des Stromes Abgesehen von der Rückkopplungswicklung 6 bzw. 7 im Belastungskreis und der Erzeugung des scharfen enthält der Basiskreis jedes der Transistoren 1 und 2 Impulses durch Umkippen des nichtlinearen Elemen- noch eine damit in Reihe geschaltete Sekundärtes. Der Aussteuerbereich desselben entspricht somit 35 wicklung 11 bzw. 12 eines Rückführungstransforrnaeinem kleinen Bruchteil einer Arbeitsperiode statt tors 13 bzw. 14. Der Basiskreis jedes Transistors einer ganzen Arbeitsperiode des Transistors. Selbst- schließt sich über die in Reihe geschalteten Wickerregte Transistor-Spannungsumformer mit einem lungen 11 und 6 bzw. 12 und 7 über den Spannungs-Belastungskreis, einem Rückkopplungskreis und teiler mit den Widerständen 9 und 10. Eine Belastung einem Rückführungsnetzwerk sind aus der deutschen 30 15 liegt über der Reihenschaltung der Primär-Auslegeschrift 1054127 und den Erteilungsunter- wicklungen 16 und 17 der Rückführungstransformalagen des belgischen Patentes 571745 bekannt, torenl3 bzw. 14 und der Ausgangswicklung 5 des wobei jedoch der Belastungskreis kein unterkritisch Ausgangstransformators 3. Diese Belastung bildet, gedämpfter, die Arbeitsfrequenz bestimmender eventuell zusammen mit an den Klemmen der Aus-Belastungskreis ist. 35 gangswicklung 5 transformierten Induktivitäten des Beim Umformer nach der Erfindung wird die Ausgangstransformators 3 und mit Primärinduktivi-Dauer jedes Kollektorstromimpulses durch den täten der Rückführungstransformatoren 13 und 14 unterkritisch gedämpften Belastungskreis bestimmt. einen Schwingungskreis, der unterkritisch gedämpft Im Gegensatz zum Bekannten spielen die Trans- ist und somit die Arbeitsfrequenz des Umformers formatoren eine andere Rolle als die dort verwende- 40 bestimmt.

ten Transformatoren, weil die Arbeitsfrequenz auf Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des

an sich bekannte Weise durch den unterkritisch ge- Spannungsumformers nach der Erfindung. In F i g. 2 dämpften Belastungskreis bestimmt wird. sind für die der F i g. 1 entsprechenden Teile gleiche

Vorzugsweise besteht das erwähnte nichtlineare Bezugszeichen gewählt. Diese Ausführungsform Netzwerk aus einem Rückführungstransformator mit 45 unterscheidet sich von der ersten lediglich dadurch, einer zwischen der Emitter- oder Kollektorelektrode daß die Primärwicklungen 16 und 17 der Rückdes Transistors und dem Belastungskreis geschalteten führungstransformatorenl3 bzw. 14 in den Kollektor-Primärwicklung, einem durch einen geringen Strom kreisen der Transistoren 1 bzw. 2 eingeschaltet sind durch die Primärwicklung sättigbaren magnetischen und nicht wie im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 Kern und einer mit dem Basiskreis des Transistors 50 im Speisekreis der Belastung 15 zwischen dieser gekoppelten Sekundärwicklung. Diese Maßnahme und der Ausgangswicklung 5 des Ausgangstransforist bei Transistorumformern bekannt, jedoch mit der mators 3. Zudem liegen die Sekundärwicklungen 11 allein zu wertenden Verbindung mit dem Haupt- bzw. 12 derselben Rückführungstransformatoren anspruch vorteilhaft, ebenso wie die in den Unter- zwischen den Widerständen 9, 10 und der Rückansprüchen angegebenen Maßnahmen, die nur in 55 kopplungswicklung 6 bzw. 7 und nicht wie im ersten Verbindung mit dem Hauptanspruch gelten. Ausführungsbeispiel zwischen diesen Wicklungen 6

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher bzw. 7 und der Basiselektrode des Transistors 1 bzw. 2. erläutert, worin Fig. 3 zeigt Strom- und Spannungs-Zeit-Dia-

F i g. 1 das Schaltbild einer ersten Ausführungs- gramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des form des Spannungsumformers nach der Erfin- 60 Spannungsumformers nach der Erfindung, z. B. des dung ist, Spannungsumformers nach F i g. 1 oder nach F i g. 2.

Fig. 2 das Schaltbild einer zweiten Ausführungs- Die oberste Zeile zeigt den Verlauf der Spannung £ form ist, der Speisequelle 8 zwischen der Mittelanzapfung der

F i g. 3 Strom- und Spannungs-Zeit-Diagramme Primärwicklung 4 und den Emitterelektroden der zur Erläuterung der Wirkungsweise der Umformer 65 Transistoren 1 und 2. Im Augenblick des Anlegens nach der Erfindung zeigt, dieser Spannung E ist immer einer der Transistoren 1

F i g. 4 Strom- und Spannungs-Zeit-Diagramme und 2 aus irgendeinem Grunde und infolge der kleinzur Erläuterung des Einflusses der Belastung auf die sten Unsymmetrie der Schaltungsanordnung oder

eines eintreffenden Störimpulses stärker leitend als der andere. Infolge des zunehmenden Stromflusses in der Primärwicklung 4 und den Rückkopplungswicklungen 6 und 7 des Ausgangstransformators 3 steigt der Strom im Emitter-Kollektor-Kreis eines der Transistoren (z. B. des Transistors 1) sehr rasch an, während der Strom im Emitter-Kollektor-Kreis des anderen Transistors, z. B. 2, ebenso rasch abnimmt. Der linear zunehmende Strom durch eine Hälfte der Primärwicklung 4 induziert eine Spannung im Kreise der Ausgangswicklung 5 und der Belastung 15 und der eventuell damit in Reihe geschalteten Primärwicklungen 16 und 17 der Rückführungstransformatoren 13 und 14. Diese Spannung stößt den aus der Belastung 15 und aus eventuellen im Belastungskreis liegenden Drosselspulen bestehenden Schwingungskreis an, so daß der Strom i_z durch den Belastungskreis die auf der zweiten Zeile der F i g. 3 dargestellte Form annimmt; die Form einer ziemlich stark, jedoch unterkritisch gedämpften Schwingung. so

Die Rückführungstransformatoren 13 und 14 besitzen je einen Kern aus einem ferromagnetischen Stoff mit z. B. annähernd rechteckiger Hystereseschleife und sind derart dimensioniert, was die Länge des magnetischen Kreises und die Anzahl Windungen der Primärwicklung 16 bzw. 17 betrifft, daß dieser Kern sehr rasch durch den Belastungsstrom i_z oder durch den transformierten Belastungsstrom im Kollektorkreis des Transistors 1 oder 2 gesättigt wird. Die Primärwicklung 16 bzw. 17 und die Sekundärwicklung 11 bzw. 12 jedes der Rückführungstransformatoren 13 bzw. 14 sind derart geschaltet, daß der Belastungsstrom i_z oder der Kollektorstrom i_{c t} bzw. i_{c 2} und der Basisstrom i_{b t} bzw. i_{b 2} den Kern dieses Transformators in entgegengesetzte Richtungen magnetisieren. Die Amperewindungen durch die Primärwicklung 16 bzw. 17 überwiegen jedoch stark gegenüber den Amperewindungen durch die Sekundärwicklung 11 bzw. 12. Die dritte Zeile der F i g. 3 zeigt den Verlauf der magnetischen Sättigung des magnetischen Kreises irgendeines dieser Transformatoren. Solange der Kern eines der Rückführungstransformatoren 13 und 14, z.B. derjenige des Transformators 13, gesättigt ist und die magnetische Induktion B in diesem Kern sich nicht ändert, wird durch den Belastungsstrom i_z keine Spannung in der Sekundärwicklung 11 dieses Transformators induziert und ist einzig die Rückkopplungs mittels der Rückführungswicklungen 6 und 7 des Ausgangstransformators 3 wirksam. Diese Rückkopplung bewerkstelligt daß der Strom im Kollektorkreis eines der Transistoren, z. B. des Transistors 1, stets weiter zunimmt und im Kollektorkreis des anderen Transistors abnimmt bzw. Null bleibt. Der Ausgangstransformator 3 ist derart dimensioniert und der Basisstrom jedes der Transistoren 1 und 2 ist derart eingestellt, daß der Strom i_{c ±} oder i_{c 2} den Sättigungswert wenigstens während der ersten halben Periode des Belastungsstromes Z₂ nicht erreichen kann. Im Augenblick, in welchem der Oszillationsstrom durch die Belastung 15 und infolgedessen auch durch die Primärwicklungen 16 und 17 wieder gegen den Wert Null strebt, kommt der Kern jedes der Rückführungstransformatoren 13 und 14 aus der Sättigung, und ein scharfer Impuls e_s (letzte Zeile der F i g. 3) wird in der Wicklung 11 bzw. 12 dieses Transformators induziert. Der Impuls induziert in der Sekundärwicklung 11 des Rückführungstransformators 13, bewerkstelligt z. B. ein plötzliches Sperren des Transistors 1, während der Impuls, der gleichzeitig in der Wicklung 12 induziert wird, einen vorwärts gerichteten Strom im Basis-Emitter-Kreis des Transistors 2 erzeugt und somit durch diesen Kreis stark gedämpft wird. Die Abnahme des Basisstromes i_bl oder i_b2 durch die Sekundärwicklung 11 bzw. 12 des Rückführungstransformators 13 bzw. 14 setzt wohl die Schnelligkeit der Abnahme der magnetischen Induktion B im Kern dieses Transformators etwas herab, so daß der Spannungsimpuls über der Sekundärwicklung 11 oder 12 etwas abgeflacht wird. Bei zweckmäßiger Dimensionierung der Rückführungstransformatoren kann dieser Einfluß jedoch vernachlässigt werden. Der Rückwärts-Spannungsimpuls wird so groß gewählt, daß ungefähr im Augenblick des Null-Durchganges des Belastungsstromes i_z der Basisstrom i_bl oder i_b2 vollständig unterdrückt wird. Infolgedessen kann der Magnetisierungsstrom des Transformators 3 jedenfalls nicht mehr zunehmen, wie klein er auch sei, und es erfolgt eine Umschaltung der Transsitoren 1 und 2. Über der gesamten Primärwicklung 4 wird somit eine rechteckförmige Spannung E' erzeugt, wie dargestellt auf der ersten Zeile der Fig. 4. Unabhängig von der Gestaltung der regenerativen Rückkopplungskreise, im vorliegenden Fall von den Rückkopplungswicklungen 6 und 7 mit den Widerständen 9, 10, wird somit erreicht, daß die Umschaltung der Transistoren im günstigsten Zeitpunkt stattfindet, nämlich im Zeitpunkt, in welchem der totale Belastungsstrom i_z praktisch gleich Null ist. Abgesehen davon, daß diese Umschaltung jeweils geschieht, bevor magnetische Sättigung des Kernes des Ausgangstransformators 3 eintritt, so daß die magnetischen Verluste stark herabgesetzt werden, werden durch die genaue Synchronisierung der Umschaltung mit den Null-Durchgängen des Belastungsstromes die Transistorverluste sehr stark herabgesetzt. Durch Herabsetzung der Transistorverluste wird es wieder möglich, bei gegebenen Transistoren eine größere Leistung der Belastung 15 abzugeben. Mit Hinblick auf die verhältnismäßig kleine maximale Verlustleistung der bis jetzt verfügbaren Transistoren öffnet deshalb die Schaltung nach der Erfindung eine ganze Reihe neuer Anwendungen, z. B. die Speisung von Motoren oder von Leuchtstoffröhren aus einer Batterie niedriger Spannung und mit Wechselstrom der gewünschten Frequenz, z. B. mit Wechselstrom einer Frequenz größer als ungefähr 1000 Per./Sek., womit eine bessere Lichtausbeute erreicht wird.

Wie ersichtlich aus der 3. Zeile der Fi g. 4, ist der aus zwei Strömen i und i' gebildete totale Belastungsstrom z/ nicht mehr sinusförmig, sondern etwas verzerrt. Der linear zu- bzw. abnehmende Strom /' wird erzeugt durch eine an den Klemmen der Ausgangswicklung 5 transformierte Rechteckspannung E' der ersten Zeile der F i g. 4. Er nähert sich jeweils dem Wert Null mit etwas herabgesetzter Steilheit, um dann mit umgekehrter Polarität wieder zuzunehmen. Dadurch sind die Flanken der B-Kurve (3. Zeile der Fig. 3) nicht mehr geradlinig, so daß die Sperrimpulse e_s etwas verzerrt sind, wie auf der letzten Zeile der Fig. 4 gezeigt. Dies ist jedoch für die Wirkungsweise des Spannungsumformers nicht von ausschlaggebender Bedeutung, solange diese Sperrimpulse e_s im Augenblick des Nulldurchganges des Belastungsstromes z\/ der Basiselektrode des abzu-

schaltenden Transistors zugeführt werden. Falls, wie in Fig. 2 die Rückführungstransformatoren im Primärkreis des Ausgangstransformators eingeschaltet sind, kann eine Induktivität durch diesen Haupttransformator 3 gebildet sein. Durch Anbringen eines Luftspaltes im Kern dieses Transformators wird dessen Magnetisierungsstrom auf den gewünschten Wert gebracht. An den Klemmen der Ausgangswicklung 5 erscheint dann eine beträchtliche Induktivität, die eine getrennte Induktivität ersetzen würde.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Selbsterregter Transistor-Spannungsumformer mit einem unterkritisch gedämpften, die Arbeitsfrequenz bestimmenden Belastungskreis und einem Rückkopplungskreis, dadurchgekennzeichnet, daß ein zwischen dem Belastungskreis und dem Basiskreis des Transistors geschaltetes, nichtlineares Netzwerk mit geringem Aussteuerungsbereich vorgesehen ist.

2. Umformer nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Netzwerk aus einem Rückführungstransformator (13 bzw. 14) besteht mit einer zwischen der Emitter- oder Kollektorelektrode des Transistors (1 bzw. 2) und der Belastung (15) geschalteten Primärwicklung (16 bzw. 17), einem durch einen geringen Strom durch diese Wicklung sättigbaren magnetischen Kern und einer mit dem Basiskreis des Transistors (1 bzw. 2) gekoppelten Sekundärwicklung(11 bzw. 12) (Fig. 1 und 2).

3. Umformer nach Anspruch 2, wobei der Emitter-Kollektor-Kreis des Transistors über einen Ausgangstransformator mit der Belastung gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (11 bzw. 12) des Rückführungstransformators (13 bzw. 14) in Reihe mit einer Rückkopplungswicklung (6 bzw. 7) des Ausgangstransformators (3) im Basiskreis des Transistors (1 bzw. 2) geschaltet ist (Fig. 1 und 2).

4. Umformer nach Anspruch 2, wobei der Emitter-Kollektor-Kreis des Transistors über einen Ausgangstransformator mit der Belastung gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (16 bzw. 17) des Rückführungstransformators (13 bzw. 14) in Reihe mit der Primärwicklung (4) des Ausgangstransformators (3) im Emitter-Kollektor-Kreis des Transistors (1 bzw. 2) geschaltet ist (F i g. 2).

5. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, mit zwei in Gegentakt geschalteten und abwechslungsweise leitenden Transistoren und mit einem Ausgangstransformator mit einer Primärwicklung mit zwei symmetrischen Teilen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Transistor (1 bzw. 2) einen gesonderten mit getrenntem magnetischem Kern versehenen Rückführungstransformator (13 bzw. 14) besitzt (F i g. 1 und 2).

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 690 060;

deutsche Auslegeschriften Nr. 1054127,
1054505;

belgische Patentschrift Nr. 571745;

»FTZ«, 1954, H. 11, S. 581 bis 588;

»Elektro-Technik«, 25.10.1958, Nr. 43, S. 339' und 340;

»Proc. of the IRE«, 2.1954, S. 391 bis 401;

»IRE-Transactions on Circuit Theory«, 1957, Vol. CT-4, S. 276 bis 279.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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