DE1931234A1 - Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung mit Transistoren - Google Patents

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH. PT-BK/Thn/kS

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Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung mit Transistoren

Die Erfindung befasst sich mit einer Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung mit zwei Transistoren und einem mit sättigungsfähigem Kern versehenen Übertrager mit einer Gegentaktwicklung., zwei Rückkopplungswicklungen und einer an den Verbraucher angeschlossenen Sekundärwicklung, bei dem die Emitter-Basis- und Emitter-Kollektor-Strecken der Transistoren mit der Gegentaktwicklung und den Rückkopplungswicklungen derart verbunden sind, dass die Emitter-Kollektor-Strecken der beiden Transistoren abwechselnd einen Strom durch die Gegentaktwicklung zulassen, so dass der Kern abweohselnd in entgegengesetzter Richtung magnetisiert wird, wenn eine Gleichspannung an die Emitter-Kollektor-Strecken und die Mittelanzapfung der Gegentaktwicklung gelegt wird.

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Bei bekannten Wandlern dieser Art« wie in der Pig. I ein Schaltungsbeispiel abgebildet 1st, sind zwei Leistungstransistoren mit einem übertrager, dessen Kern aus magnetisch sättigungsfähigem Material besteht, in einer symmetrischen Gegentaktschaltung vereinigt, indem die Emitter-Basis- und Emitter-Kollektor-Strecken der beiden Transistoren mit den Eingangswicklungen des Transformators derart verbunden sind, dass die Emitter-Kollektor-Strecken abweohselnd einen Strom durch diese Wicklungen zulassen; dabei wird der Kern abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert, wenn eine Gleichspannung an die Emitter-Kollektor-Strecken und die betreffenden Eingangswicklungen gelegt wird. Der demzufolge in der Ausgangswicklung des Übertragers erzeugte Strom wird einem Verbraucher zugeführt.

Im einzelnen werden die Transistoren Ts' und Ts" mit dem Laststrom, der über die Sekundärwicklung w5 in den Verbraucher RL fliesst, und dem Magnetisierungsstrom beaufschlagt, der zuerst linear ist und dann in den Sättigungsbereich des Übertragers übergeht. Ist die Sättigung erreicht, so wird die Über die RUckkopplungswicklung beispielsweise des Transistors Ts', w2' an die Basis des Transistors Ts' angelieferte Ansteuerspannung kleiner werden, da infolge des schnell ansteigenden Kollektorstromes der Transistor Ts* seinen Sättigungsbereich verlässt, so dass seine Emitter-Kollektor-Spannung ansteigt und die Spannung an der Wicklung wl* sich vermindert, da die Eingangsspannung konstant bleibt.

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Durch den einsetzenden RUckkopplungsvorgang wird der Transistor Ts' sehr schnell gesperrt. Der durch die Wicklung wl' fliessende Magnetisierungsstrom sorgt dafür, dass die Spannung an der Wicklung wl' sich umkehrt. Polglich erhält Jetzt die Basis,,des Transistors Ts* eine entgegengesetzte Spannung, die den Transistor Ts* sperrt, und die Basis des Transistors Ts" erhält ebenfalls eine entgegengesetzte Spannung, die diesen Transistor öffnet, der vor diesem Vorgang im ersten Transistor Ts' gesperrt war.

Diese Schaltungsanordnung hat erhebliohe Nachteile. Derjenige Arbeitspunkt der Kennlinie des Transistors, bei dem dieser aus dem Sättigungsbereich heraustritt, ist bei den einzelnen Exemplaren gleichen Typs unterschiedlich und infolge der Temperatureinflüsse nicht von aussen beeinflussbar. Diese Erscheinung beruht auf der unterschiedlichen Stromverstärkung der Transistoren. Unter diesen Voraussetzungen besteht die Gefahr, dass der Kollektorstrom unkontrollierbare Werte annehmen kann. Hat der Laststrom des Verbrauchers beispielsweise einen Wert von 100 raA, so kann unter bestimmten Bedingungen der Magnetisierungsstrom das Mehrfache einer Grössenordnung annehmen, bevor eine Umschaltung auf den anderen Takt erfolgt. Es wird zwar bei dem betreffenden Transistor von sieh aus bei höheren Strömen die Stromverstärkung sinken, aber die Stosslast muss doch überwunden werden. Parallel hierzu bewirkt diese Erscheinung unkontrollierbare Verluste in der Gleichspannungsumwandlung. Ein

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weiterer Nachteil der Schaltung gemäss der Fig. 1 ist, dass die Widerstände Rl', Rl", welche die Basis zum Anschwingen in Durchlassrichtung vorspannen, einen verhältnismässig niedrigen Wert haben müssen, weil der Widerstandswert von R2', R2" - entsprechend dem erforderlichen Basisstrom gewählt - klein ist. Es entstehen auch hier unerwünschte Leistungsverluste.

Es besteht deshalb die Aufgabe, diese Mangel zu beseitigen. Hierzu wird vorgeschlagen, den Umschaltvorgang nicht mehr dadurch einzuleiten, dass die Spannung am stromführenden Transistor zu steigen beginnt, sondern dadurch, dass durch eine geeignete Schaltungsanordnung der Strom im Kollektorzweig gemessen wird und bei überschreiten eines vorher bestimmbaren Wertes ein Sperrimpuls auf die Steuerelektrode des stromführenden Transistors gegeben wird.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine an sich bekannte Messeinrichtung vorgesehen ist, welche den im übertrager fliessenden Strom misst und bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes den stromführenden Schalttransistor in den Sperrzustand überführt, wobei die Messeinrichtung aus einem Stromwandlerübertrager besteht, dessen Ausgangsimpuls Abschalttransistoren leitend steuert. Hierbei liegen die Emitter der Abschalttransistoren an einer Sperrspannung, welche durch Oleichrichtung der für die Steuerung der Schalttransistoren vorhandenen Rückkopplungsspannung gewonnen wird,

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Bei dieser Anordnung sind der Stromwandler und sein sekundärer Belastungswiderstand so bemessen, dass bei einem vorgegebenen Primärstrom die Basis-Emitterschwelle des Abschalttransistors erreicht wird. Ferner fliesst zum Anschwingen des Wandlers über einen hochohmigen Widerstand ein Strom in die Basis der Transistoren, während im Betriebszustand die Rückkopplung über die Rückkopplungswicklung, die Diode und den Kondensator erfolgt.

Anhand eines Schaltungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert.

In der Pig. 1 ist eine Gegentaktschaltung nach dem Stande der Technik aufgezeichnet und in der Fig. 2 die erfindungsgemässe Massnahme zur Verbesserung des Gegentaktwandlers.

Die Funktion der Schaltungsanordnung nach der Erfindung 1st folgendermassen:

Ausgehend von der stromlosen Schaltung, wird an die Klemmen plus und minus eine Gleichspannung angelegt. Um den Anschwingvorgang einzuleiten, fliesst ein Strom über den sehr hochohmigen Widerstand Rl in die Basen der Transistoren TsI, * ohne durch einen Nebenwiderstand geschwächt zu werden, wie dies in der Schaltung nach dem Stande der Technik geschieht. Der Strom fliesst über die Wicklungen wR, die Widerstände RB und die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren TsI nach minus.

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Treten jetzt geringe Stromschwankungen auf, so wird der Übertrager U daftlr sorgen, dass diese Stromschwankungen umgesetzt werden in Spannungsschwankungen an den Wicklungen wR. Diese Spannungsschwankungen verändern wieder den fliessenden Basisstrom und damit den fliessenden Kollektorstrom. Aufgrund der Polarität der Wicklungen setzt dann eine Rückkopplung ein. Der Rückkopplungsstrom kann jetzt nicht mehr über den Widerstand Rl fHessen, weil dieser viel zu hoch-

* ohmig ist. Vielmehr wird er zunächst einmal über eine Wicklung wR, beispielsweise wR*, wenn diese gerade positiv geworden ist, über den Widerstand RB*, die Basi3-Emitter-Streoke des Transistors TsI', über den Kondensator Cl und zurück zur Wicklung wR* fHessen. Hierbei wird die Aufladung des Kondensators Cl begrenzt durch die Diode GrI, die ab einer bestimmten Ladespannung leitend wird. Von diesem Zeitpunkt an fliesst der Rückkopplungsstrom nur noch über die Diode GrI. Der Kondensator Cl dient also im wesentlichen dazu, den

) Anschwingvorgang lh Gang zu bringen und während des Schwingens den Weohselstromwiderstand der Diode OrI zu eliminieren. Vorteilhaft hierbei ist der geringe Verlust an Leistung, da als Belastung lediglich der sehr hochohmige Widerstand Rl zwischen den Klemmen der zugeführten Gleichspannung liegt.

In die Kollektorstromzweige der Transistoren TsI* und TsI" sind je eine Wicklung wl' bzw. wl" des Übertragers Ul eingefügt. Dieser übertrager Ül transformiert den Strom, der nur jeweils in einer Kollektorleitung fliesst, auf die Sekundär-

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wicklungen w2* und w2*'. Entsprechend dem übersetzungsverhältnis wird der Strom auf wl' : w2* · ICl oder w2" : wl" · ICl" transformiert, wobei IC der Kollektorstrom des zugehörigen Transistors ist. Dieser in die Wioklung, beispielsweise w2', transformierte Strom ruft in dem parallel geschalteten Widerstand R2^J einen Spannungsabfall hervor. Steigt nun der Magnetisierungsstrom durch die Wicklung wP' soweit an, dass er z.B. in die Grosse des Laststromes (RL) kommt, d.h. der Kollektorstrom hat sich verdoppelt, kann man den Widerstand R2' nun so bemessen, dass der Spannungsabfall an R2* die Basis-Emitter-Schwelle des Transistors Ts2' erreicht und ein Basisstrom flieset. Damit beginnt aber auch gleichzeitig ein Kollektorstrom zu fliessen, der veranlasst, dass die Ansteuerspannung an der Basis des Transistors TsI' abfällt. Auf diese Weise hat man die Möglichkeit, die Gröese des Kollektorstromes der Transistoren TsI auf einen ganz bestimmten Wert zu begrenzen, beispielsweise so, dass der Magnetisierungsstrom nicht über den Betrag des Laststromes hinaus anwächst.

An die Klemme der Wicklung, beispielsweise wR', an die der Widerstand RB* angeschlossen ist, ist eine weitere Diode Gr2* angelegt. Sie ist so gepolt, dass der Kondensator C2 negativ aufgeladen wird und zwar bezogen auf den Emitter des Transistors TsI* * Diese negative Spannung des Kondensators C2 wird nun über den leitenden Transistor Ts2* als Sperrspannung an die Basis des Transistors TsI* gelegt. Dadurch fliesst

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erstens der Strom, den die Rückkopplungswicklung wR* bisher in die Basis des Transistors Tsl^J getrieben hat, nicht mehr in die Basis des Transistors TsI', sondern über den Kollektor des Transistors Ts2*, und zweitens wird durch die Sperrspannung die Basisladung von TsI* sehr rasoh abgeleitet. Damit kann der Transistor TsI*, weil ihm jetzt der Basisstrom fehlt, keinen Kollektorstrom mehr ziehen. Mit diesem Augenblick beginnt der Umschaltvorgang auf den anderen Takt. Der Transistor TsI'* wird über die Rückkopplungswicklung wR" leitend gesteuert.

Das in der Fig. 1 aufgezeigte Schaltungsbeispiel nach dem Stand der Technik hat einen Spannungsteiler Rl'/R2' und Rl"/R2", der verhältnismässig niederohmig ist, wobei die Basis-Emitter-Spannung soweit angehoben wird, dass durch beide Transistoren ein Strom fliessen kann, so dass dann über die Verkopplung über den Übertrager ü die Schwingung einsetzen kann. Es besteht natürlich auch bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung die Aufgabe, bei Transistoren in einen Zustand zu steuern, dass sie eine bestimmte Stromverstärkung aufweisen, d.h. es muss in beiden Transistoren ein Kollektorstrom flessen. Das wird erreicht durch den Widerstand Rl, der an die Basis-Emitter-Strecke der Transistoren TsI, die als npn-Transistoren gezeichnet sind, eine positive Spannung legt. Diese Spannung wird begrenzt auf die übliche Basis-Emitter-Spannung eines Transistors, wenn Basisstrom zu fliessen beginnt. Dabei sind die Diode GrI und die

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Transistoren Ts2' und Ts2" gesperrt, wodurch also keine Leistung verbraucht wird, sondern der Strom durch den Widerstand Rl teilt sich lediglich auf die Basen der Transistoren TsI' und Ts2' auf. Treten jetzt geringe Stromschwankungen auf, so werden diese durch den Übertrager Ü in Spannungsschwankungen an den Wicklungen wR umgesetzt und verändern den fliessenden Basisstrom und damit den fliessenden Kollektorstrom der Transistoren TsI. Durch eine entsprechende Polarität der Wicklungen wR setzt dann Rückkopplung ein. Der Rückkopplungsstrom kann jetzt nicht mehr über den Widerstand Rl fHessen, da dieser viel zu hoohohmig ist. Dieser Rückkopplungsstrom fliesst über die Wicklung wR*, bei entsprechender Polung, über die Widerstände RB', die Basis-Emitter-Strecke des Transistors beispielsweise TsI' über den Kondensator Cl und zurück zur Wicklung wR'. Bei einer bestimmten Aufladung des Kondensators Cl wird die Diode GrI leitend und damit die Aufladung des Kondensators Cl begrenzt. Der gesamte Stromfluss erfolgt nicht mehr über den Kondensator Cl _s sondern über die Diode GrI. Der Kondensator Cl dient also im wesentlichen dazu, für den Anschwingvorgang den nötigen Basisstrom zu liefern und letzten Endes auch dazu, während des Schwingens den Wechsel· stromwiderstand der Diode GrI zu überbrücken.

Duroh die Dimensionierung des Übertragers Ül, dor Widerstände R2' und R2" kann man genau die Schwelle bestimmen, bei der

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die Transistoren Ts2* bzw. Ts2" leitend werden, denn durch diesen Schwellpunkt wird der Kollektorstrom bestimmt, bei dem den Transistoren TsI* bzw. TsI" der Basisstrom abschaltet und damit der Umschaltvorgang auf den entgegengesetzten Takt eingeleitet wird. D.h. dieser Umschaltpunkt ist jetzt allein durch äussere Schaltmittel einstellbar und nicht mehr von irgendwelchen Eigenschaften eines Transistors abhängig, die doch bei jedem Exemplar verschieden sind.

Selbstverständlich ist die Anwendung der Erfindung nicht auf die hier angegebene Art von GIeiohspannungsv/andlern beschränkt, sondern kann überall dort erfolgen, wo der Schaltvorgang durch den ansteigenden Magnetisierungsstrom einer Induktivität mit sättigungsfähigem Kern eingeleitet wird.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   Γΐ)/Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung mit Transistoren und einem mit sättigungsfähigem Kern versehenen Übertrager, dadurch gekennzeichnet, dass eine an sich bekannte Messeinrichtung vorgesehen ist, welche den im übertrager fliessenden Strom misst und bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes den stromführenden Schalttransistor in den Sperrzustand überführt.
2. 2) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Einrichtung aus einem Stromwandlerübertrager besteht, dessen Ausgangsimpuls Abschalttransistoren (Ts2j leitend steuert.
3. 3) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitter der Abschalttransistoren an einer Sperrspannung liegen, welche durch Gleichrichtung der für die Steuerung der Schalttransistoren (TsI) vorhandenen Rückkopplungsspannung gewonnen wird.
4. 4) Schaltungsanordnung nach Anspruch Ij dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwandler und sein sekundärer Belastungswiderstand so bemessen sind, dass bei einem vorgegebenen Primär-

   , strom die Basis-Emitterschwelle des Abschalttransistors erreicht wird.

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5. 5) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anschwingen des Wandlers über einen hoehohmigen Widerstand (Rl) ein Strom in die Basis der Transistoren (TsI* und TsI") fliesst und dass im Betriebszustand die Rückkopplung über die RückkopplungswickJLung (wR*·, wR"), die Diode (Brl) und den Konden-

   sator (Cl) erfolgt*

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