DE1538042B2 - Schaltungsanordnung zur umwandlung einer wechselspannung in eine hoeherfrequente wechselspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Wechselspannung in eine höherfrequente Wechselspannung mit Hilfe gesteuerter Halbleiter, welche die Wechselspannungsquelle periodisch mit einer Lastimpedanz verbinden. Die Umwandlung einer netzfrequenten Wechselspannung in eine höherfrequentevWechselspannung erfolgt üblicherweise über eine Gleichrichtung der Netzwechselspannung und anschließende Gewinnung der höherfrequenten Wechselspannung aus dieser Gleichspannung. Die Hochfrequenz-Stromversorgungsgeräte für Heiz- und Schweißvorachtungen, welche nach diesem Prinzip arbeiten, sind räumlich und schaltungsmäßig wie auch hinsichtlich der Kosten jedoch recht aufwendig.

Es ist ferner bekannt, eine netzfrequente Wechselspannung ohne Zwischengleichrichtung mit Hilfe von Halbleiterschaltern, welche mit der gewünschten höheren Frequenz angesteuert werden, zu zerhacken und die aus jeder Periode der Wechselspannung herausgeschnittenen Spannungsimpulse unmittelbar einer Lastimpedanz zuzuführen. Die Halbleiter werden bei diesem bekannten Frequenzwandler magnetisch gesteuert. Für diese Steuerung ist eine besondere Steuereinrichtung erforderlich, welche den Schalttakt angibt und die Erregerstromimpulse liefert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in einer weiteren Vereinfachung des bekannten Frequenzwandlers. Insbesondere soll sich der Frequenzwandler als Hochfrequenz-Speisegerät zum unmittelbaren Einsatz am Ort des Verbrauchers, beispielsweise einer Induktionsoder Widerstandsheiz- oder -Schweißvorrichtung eignen. Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs Erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß über: die Wechselspannungsquelle ein kapazitiver Spannungsteiler geschaltet ist, daß zwischen den Teilerabgriff und die beiden Leitungen der Wechselspannungsquelle je ein Transistor eines ersten astabilen Multivibrators geschaltet ist, der während einer Halbwelle der Wechselspannung mit der gewünschten höheren Frequenz schwingt, daß ferner zwischen den Teilerabgriff und die beiden Leitungen der Wechselspannungsquelle je ein Transistor eines zweiten astabilen Multivibrators geschaltet ist, der während der anderen Halbwelle der Wechselspannung mit der gewünschten höheren Frequenz schwingt, und daß die Kollektor-Emitter-Strecken der zwischen den Teilerabgriff und die eine Leitung geschalteten Transistoren einerseits und der zwischen den Teilerabgriff und die andere Leitung geschalteten Transistoren andererseits jeweils auf eine gemeinsame Lastimpedanz arbeiten.

Hierbei werden., die die Eingangswechselspannung in Impulse der gewünschten höheren Frequenz zerhackenden Transistoren gleichzeitig zur Bildung der sie steuernden Signale herangezogen, da sie in der Zusammenschaltung als astabiler Multivibrator ohne äußere Steuerung von selbst schwingen. Die Schwingfrequenz läßt sich in einfacher Weise gleich der gewünschten Hochfrequenz wählen. Durch die Anwendung zweier Multivibratoren, welche während entgegengesetzter Halbperioden der umzuformenden Wechselspannung Strom führen, lassen sich beide Perioden dieser Wechselspannung verwenden, so daß während beider Halbperioden Impulse erzeugt werden, deren Amplitude dem Verlauf der Eingangswechselspannung folgt. Da die beiden Multivibratoren mit jeweils einem Transistor auf je eine gemeinsame Lastimpedanz arbeiten, werden aus der Eingangswechselspannung zwei getrennte Hochfrequenz-Wechselspannungen abgeleitet, deren Phasenlage sich um eine Breite der erzeugten Impulse unterscheidet und die getrennten Verwendungszwecken zugeführt werden können.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Darstellungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

ίο Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 den Verlauf der Ausgangsspannung an einer der Lastimpedanzen.

Die Anordnung nach Fig. 1 enthält eine übliche Wechselstromquelle 10 von beispielsweise 60 Hz, die über einen Schalter 11 an eine Leitung 12 sowie an eine geerdete Leitung 13 angeschlossen ist. Eine weitere Leitung 14 ist mit der Teileranzapfung eines Spannungsteilers verbunden, der aus einem an die Leitung 12 angeschlossenen Kondensator 15 und einem an die Leitung 13 angeschlossenen Kondensator 16 besteht und als Spannungsspeicher wirkt; die beiden Kondensatoren haben vorzugsweise die gleiche Kapazität. £

Für die Gewinnung von Hochfrequenzenergie ist ein Multivibrator 17 mit zwei npn-Transistoren 18 und 19 vorgesehen, die wirkungsmäßig in Reihe mit zwei Lastimpedanzen 20 und 21 zwischen die Leitungen 12 und 13 geschaltet sind, und zwar ist der KoI-lektor 22 des Transistors 18 mit einer zur Lastimpedanz 20 führenden Leitung 23 verbunden, und die andere Seite dieser Impedanz 20 ist an die Leitung 12 angeschlossen. Ebenso ist der Kollektor 24 des Transistors 19 an eine Leitung 25 angeschlossen, die zur einen Seite der Lastimpedanz 21 führt, deren andere Seite an die Leitung 14 angeschlossen ist. Die Lastimpedanzen 20 und 21, die im Falle eines HF-Widerstandsschweißgerätes ohmisch sind, können auch Blindwiderstandscharakter haben, wie z. B. bei HF-Induktionsheizvorrichtungen. ■>

Im Multivibrator 17 sind der Emitter 26 des Transistors 18 mit der Leitung 14 und der Emitter 27 des Transistors 19 mit der Leitung 13 verbunden. Ferner ist die Basis 28 des Transistors 18 über einen Widerstand 29 mit der Leitung 12 sowie über einen Rückkopplungskondensator 30 mit dem Kollektor 24 des Transistors 19 verbunden, während die Basis 31 des Transistors 19 über einen Widerstand 32 mit der Leitung 14 sowie über einen Rückkopplungskondensator 33 mit dem Kollektor 22 des Transistors 18 verbunden ist.

Um die Lastimpedanzen 20 und 21 während der negativen Halbwelle der Eingangsperiode, während welcher der Multivibrator 17 nicht schwingt, mit Hochfrequenzenergie zu beliefern, ist ein zweiter Multivibrator 17' vorgesehen, der — abgesehen davon, daß die beiden Transistoren 18' und 19' pnp-Transistoren sind und daher den Strom in der entgegengesetzten Richtung leiten — gleich ausgebildet ist wie der Multivibrator 17. Zur Bezeichnung der Schaltungselemente des Multivibrators 17' sind daher die gleichen Bezugsziffern wie beim Multivibrator 17, jedoch zusätzlich mit einem Strich versehen, verwendet worden. In beiden Multivibratoren 17 und 17' wird die gewünschte Hochfrequenz der an den Lastimpedanzen 20 und 21 auftretenden Ausgangsenergie durch entsprechende Bemessung der Widerstände 29, 29', 32 und 32' sowie der Kondensatoren 30, 30', 33

und 33' festgelegt, wobei man für die Widerstände und Kapazitäten vorzugsweise gleiche Werte vorsieht, um sicherzustellen, daß die Hochfrequenz während beider Halbwellen der Eingangsstromperiode jeweils den gleichen Wert hat. Außerdem haben auch die Kondensatoren 15 und 16, die ebenfalls den Wert der Ausgangsfrequenz beeinflussen, vorzugsweise die gleiche Kapazität.

Es soll zunächst die Arbeitsweise des Multivibra-

umgekehrt sind. Es wird daher während dieser Halbwelle der auf der rechten Seite der F i g. 2 bei 38 angedeutete Spannungsverlauf an der Lastimpedanz 20 und ein hierzu komplementärer Spannungsverlauf an der Lastimpedanz 21 erzeugt.

Es ist klar, daß selbst während derjenigen Halbwelle der Eingangsspannung, bei welcher ein Multivibrator schwingt, seine beiden Transistoren jeweils immer nur die Hälfte der Zeit Strom führen, so daß

12 erscheinende 60-Hz-Wechselspannung (gestrichelte Linie 35 in Fig. 2) die positive Halbwelle 36 sei. Außerdem soll der Transistor 18 zu einem früheren Zeitpunkt zu leiten anfangen als der Transistor 19.

In dem Maße, wie die Stromaufnahme über die Lastimpedanz 20 zunimmt, wird die Spannung an der Basis 31 des Transistors 19 weniger positiv, so daß der Stromfluß durch diesen Transistor und die

tiver Richtung angehoben wird, so daß eine Stromaufnahme über die Lastimpedanz 21 erfolgt. Bei dieser Stromaufnahme über die Impedanz 21 wird durch

tors 17 betrachtet und dabei vorausgesetzt werden, 10 der gesamte Arbeitszyklus jedes Transistors jeweils daß die bei geschlossenem Schalter 11 in der Leitung nur 25°/o einer Periodendauer beträgt. Außerdem

tragen die sehr kurzen Schaltzeiten, die sich mit den meisten derzeit erhältlichen Transistortypen erreichen lassen, dazu bei, daß der Leistungsverbrauch der Anordnung außerordentlich gering ist. Da die Transistoren auf einem Wärmeableiter beträchtlicher Masse angeordnet sind, geben sie sehr rasch die durch den Stromfluß während ihres Leitens erzeugte

_ _ Wärme ab. Die Transistoren können daher mit erheb-

Lastimpedanz 21 vermindert und schließlich gesperrt 20 Hch stärkeren Momentanströmen belastet werden, als wird und folglich die Spannung an der Basis 28 des ^es möglich wäre, wenn die Transistoren dauernd oder Transistors 18 zunehmend positiver in bezug auf die ^über prozentual längere Zeitintervalle in Betrieb mit dem Emitter 26 verbundene Leitung 14 wird. Als wären.

Folge davon steigt der Strom im Transistor 18, und · ^Bei einer praktisch erprobten Ausführungsform der Transistor 19 wird im gesperrten Zustand gehal- 25 der Erfindung hatten die Lastimpedanzen 20 und 21 ten. Während dieses Zeitraums wird der Strom durch ^einen Wert von jeweils 91 Ohm, die Widerstände 29, den Transistor 18 von der im Kondensator 16 ge- ²⁹'> ³² und ³²' einen Wert von jeweils 1000 Ohm, speicherten Ladung geliefert; dabei sinkt die positive ^die Kondensatoren 15 und 16 des Spannungsteilers Spannung an der Basis 31 ab, während zugleich der ^eine Kapazität von jeweils 0,22 Mikrofarad und die Kondensator 33 sich über den Widerstand 32 entlädt 30 Ruckkopplungskondensatoren 30, 30 , 33 und 33 und dadurch die Spannung an der Basis 31 in posi- ^eine Kapazität von jeweils 0,022 Mikrofarad. Mit die-■ ser Anordnung wurde eine Ausgangsspannung mit

einer Frequenz in der Größenordnung von 50 kHz

_ erhalten. Verwendet man Transistoren, deren Durch-

die "entsprechend verringerte*"positive "spammngTn 35 bruchsspannung in der Sperrichtung kleiner ist als die der Basis 28 der Transistor 18 gesperrt und dadurch \^{m Be}*^{rieb der} betreffenden Anordnung jeweils angeder Strom durch die Lastimpedanz 20 unterbrochen. !^e8^te Sperrspannung, so kann man im Emitterkreis In Fig. 2 ist die momentane Spannung an der J^edes Transistors einen entsprechend gepolten Di-Lastimpedanz 20 schematisch durch die ausgezogene odengleichnchter vorsehen, um übermäßig hohe Kurve 37 angedeutet; sie ändert sich mit hoher Fre- 4° Sperrspannungen von dem betreffenden Transistor quenz während der gesamten positiven Halbwelle der fernzuhalten.

In Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels kann man, statt npn-Transistoren im einen und pnp-Transistoren im anderen Multivibrator zu 45 verwenden, beide Multivibratoren mit Transistoren des gleichen Leitungstyps ausrüsten, wobei man dann die Polaritäten und die Vorspannungsanordnung der Transistoren des einen Multivibrators gegenüber denen des anderen Multivibrators entsprechend umjeweiligen positiven Pegel hat. Der besseren Über- 50 kehren muß. Ferner kann es für bestimmte Anwensichtlichkeit halber ist in Fig. 2 die Ausgangsfre- dungszwecke erwünscht sein, andersartige als die hier quenz nur ungefähr fünfundzwanzigmal so groß wie beschriebenen Vorspannanordnungen vorzusehen; die Eingangsfrequenz dargestellt; natürlich kann sie ^dann sieht man in den Emitter- oder Kollektorkreisen durch entsprechende Wahl bzw. Bemessung der ^der Transistoren zusätzliche ohmsche oder Blind-Schaltungskomponenten wesentlich höher bis in den 55 Widerstandselemente vor, um die gewünschten Eigen-Megahertzbereich oder höher reichen. schäften des Ausgangsspannungsverlaufes zu erhalten.

Während der positiven Halbwelle der Eingangs- Auch kann man als Wechselspannungsquelle eine spannung ist der Multivibrator 17' außer Betrieb, da Dreileiteranordnung verwenden, wobei man den neudie pnp-Transistoren 18' und 19' bei positiven Ein- tralen oder Erdleiter über eine Impedanz an die Leigangsspannungen gesperrt sind. Wenn sich dagegen 60 tung 14 anschaltet, wodurch die Kondensatoren 15 die Polarität der Eingangsspannung umkehrt, hört und 16 sowie der Erdanschluß der Leitung 13 entder Multivibrator 17 auf zu schwingen, da dann die
npn-Transistoren in Sperrichtung gepolt sind. Zugleich werden die pnp-Transistoren 18' und 19' in
Durchlaßrichtung gepolt, so daß der Multivibrator 65
17' in der gleichen Weise im hochfrequenten Takt
arbeitet wie zuvor der Multivibrator 17, wobei lediglich die jeweiligen Polaritätsverhältnisse entsprechend

Eingangsspannungsperiode jeweils zwischen dem Potential der Leitung 12 (Kurve 35) und Nullpotential. Während der gleichen Halbwelle ändert sich die

21 komplementär zu der an der Lastimpedanz 20 derart, daß sie eine der Kurve 35 entsprechende Amplitude hat, wenn die ausgezogene Kurve 37 den Wert Null hat, und Null ist, wenn die Kurve 37 den

fallen.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Wechselspannung in eine höherfrequente Wechselspannung mit Hilfe gesteuerter Halbleiter, welche die Wechselspannungsquelle periodisch

   mit einer Lastimpedanz verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß über die Wechselspannungsquelle (10) ein kapazitiver Spannungsteiler (15, 16) geschaltet ist, daß zwischen den Teilerabgriff (Leitung 14) und die beiden Leitungen (12, 13) der Wechselspannungsquelle (10) je ein Transistor (18, 19) einesversten astabilen Multivibrators (17) geschaltet ist, der während einer Halbwelle der Wechselspannung mit der gewünschten höheren Frequenz schwingt, daß ferner zwischen den Teilerabgriff (Leitung 14) und die beiden Leitungen (12, 13) der Wechselspannungsquelle (10) je ein Transistor (18', 19') eines zweiten astabilen Multivibrators (17') geschaltet ist, der während der anderen Halbwelle der Wechselspannung mit der gewünschten höheren Frequenz schwingt, und daß die Kollektor-Emitter-Strecken der zwischen den Teilerabgriff (Leitung 14) und die eine Leitung (12) geschalteten Transistoren (17, 17') einerseits und der zwischen den Teilerabgriff und die andere Leitung (13) geschalteten Transistoren (18, 18') andererseits jeweils auf eine gemeinsame Lastimpedanz (20 bzw. 21) arbeiten.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen