DE2543441A1

DE2543441A1 - Lineare energieerhaltende stromquelle

Info

Publication number: DE2543441A1
Application number: DE19752543441
Authority: DE
Inventors: Glenn Carl Waehner
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1974-10-03
Filing date: 1975-09-29
Publication date: 1976-04-15
Also published as: NL183159C; FR2287064B1; DK148069C; IE43441L; DK148069B; NL7507830A; BE834075A; FR2287064A1; IT1043012B; JPS5161735A; US3909701A; CA1042072A; DE2543441C2; GB1517968A; DK322675A; NL183159B; BR7506418A; JPS6015954B2; LU73462A1; IE43441B1

Description

United Technologies Corporation Patentanwalt

1, Financial Plaza 2543441 ^'J^' Rolf Menge»-

' 8O11 Po.-!.- q h. München

Hartford, CT O61O1 Ηι*·Λι»«»Γ.*Γ.τ·ι.οβιοβ/βΐ7·

Vereinigte Staaten von Amerika

^y Anwaltsakte U 266

26. Sep. I975

Lineare energieerhaltende Stromquelle.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine lineare stromerhaltende
Stromquelle.

Die Anwendung der magnetischen Ablenkung in Anzeigesystemen j

der verschiedensten Art mit Kathodenstrahlröhre ist bekannt. (

Ein Grund für die bevorzugte Anwendung der magnetischen Ablenkung j

sind die grössere Heiligkeit und Auflösung, welche damit erhalten j

werden können. Jedoch verbrauchen die magnetischen Ablenkungs- j

systeme beträchtlich mehr Leistung als elektrostatische Systeme. !

Der Strom_; welcher einem Ablenkjoch einer Kathodenstrahlröhre i

normalerweisen zugeführt werden muss, muss sich von einem negati- ;

ven Wert (zur Ablenkung in Richtung einer Kante des Schirmes) I

über null (im Mittelpunkt des Schirmes) zu einem hohen positiven j

Wert (zur Ablenkung in Richtung der gegenüberliegenden Kante i

des Schirmes) ändern. Weil die Ablenkung mit dem gewünschten ;

Bild übereinstimmen muss, muss sie von einem linearen Verstärker ■

bewirkt werden, welcher mit geeigneten positiven und negativen ?

Spannungsquellen zusammenarbeitet. Wenn die Ablenkung sich extrem ί

schnell verändern soll, dann müssen die Netzgeräte zusätzlich j

eine relativ hohe Spannung bereitstellen^ um das induktive Joch ';

zu betreiben. Wenn aber die Aenderungsgeschwindigkeit des Stromes ]

im Joch relativ klein ist, dann muss die Speisespannung relativ '

klein sein; am Ausgang des Verstärkers muss deshalb ein beträcht- j

1icher Spannungsabfall während einem beträchtlichen Zeitintervall I

auftreten, v?ährend ein beträchtlicher Strom fliesst. Hierdurch !

wird Leistung verbraucht. {

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Die Anwendung von energieerhaltenden , modulierten Netzgeräten zur Energieeinsparung ist bekannt. Diese sparen die Energie • durch Modulation der Einschaltdauer eines der Last zugeführten j Stromes * Solche Netzgeräte sind entweder voll ein- oder ausgeschal- ! tet. Wenn sie voll eingeschaltet sind, verhalten sie sich wie ;ein Schalter , welcher geschlossen ist und eine sehr niederohmige

^:Verbindung herstellt, so dass der Durchgang eines hohen Stromes j nicht sehr viel Leistung verbraucht. Wenn sie voll geöffnet ; sind, dann fliesst kein Strom^so dass keine Leistung verbraucht ίwerden kann. Indem man das Netzgerät während einer richtigen, I prozentualen Zeitperiode einschaltet, bei einer passend hohen ι Schaltgeschwindigkeit oder Frequenz, kann der mittlere Strom |mit relativ kleinen Leistungsverlusten im Netzgerät selbst ge- [ steuert werden. Jedoch sind bis jetzt Geräte dieser Art mit ί einer angemessenen Stexierung im Hinblick auf eine getreue , I lineare Stromdarstellung eines Eingangssteuersignals, wie es 'für qualitativ hochwertige Anzeigesysterne mit Kathodenstrahl- ι röhren erforderlich ist,nicht bereitgestellt worden. I

i ■ !

;Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine lineare, ;energieerhaltende Stromquelle bereitzustellen, welche auf eine !Vielzahl weitgestreuter Eingangssignale ansprechen kann. j

Nach der Erfindung wird der Strom des Netzgerätes, welcher dem j Leistungsausgang eines Lasttreibers, wie etwa ein geregeltes Netz- ί gerät oder ein Verstärker , zugeführt wird, überwacht und ein ι elektronischer Schalter wird geschlossen, wenn der Strom einen ;vorgegebenen Betrag übersteigt und geöffnet , wenn der Strom :kleiner als ein kleinerer Wert wird um den Strom einer grossen ;Induktivität zuzuführen, welche eine Last, wie etwa die Ablenkspule einer Kathodenstrahlröhre, speist und eine Rückkopplungs- !steuerung durch den Strom durch die Last bewirktι dass der Last- ;treiber genau den richtigen Strombetrag zuführt zur Summierung imit dem von der grossen Induktivität zugeführten Strom um so 'den gewünschten Strom in der Last auf einem Wert zu halten, wie :er von der Eingangsspannung vorgegeben wird. Die Rückkopplung kann intern,(wie etwa in einem Darlington Verstärker) oder extern sein. In Übereinstimmung mit der Erfindung hat die auf den Strom ■ ansprechende Vorrichtung zum Betätigen des elektronischen Schalters Hysterese , wodurch der Schalter bei einem Strom kleinerer

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; ι

'■ Amplitude geöffnet wird als die des Stromes, welcher erforderlich j ist/um den Schalter zu schliessen.um so die Umschaltung des Stro~ j

' ■ raes in die Induktivität zur Energieerhaltung zu bewirken. |

. j

ι In weiterer Übereinstimmung mit der Erfindung kann die Strom-

■ überwachungsvorrichtung einen Stromfühler umfassen^ welcher einen

! Schmidt Trigger steuert. Ausserdem kann in der Stromüberwachungs- ^; I vorrichtung ein Differentialstromverstärker vorgesehen sein,welcher I einen Zwischenschalter betätigt , der die Rückkopplung zum Diffe-I rentialstromverstärker bewirkt. Ausserdem kann eine mit der gros- ^; i sen Induktivität gekoppelte kleine Wicklung in der Stromüberwachungs· ' Vorrichtung vorgesehen sein, wodurch der Stromfluss durch die i : grosse Induktivität eine positive Rückkopplung zum elektronischen · ; Schalter bewirkt. j

: In einer Ausführungsform der Erfindung wird der dem Ablenkjoch ! durch die. grosse Induktivität zugeführte Strom in Übereinstimmung
mit dem Strombedarf des AblenkJoches moduliert, wobei die Modula- ■ tion derart ist dass mittlere Ströme im Joch auftreten, welche _; fast genau dem Strombedarf des Joches entsprechen bis zu dem Masse,

■ wie der Strom in der grossen Induktivität sich schnell genug
ändern kann um die Strombedarfsänderungen im Joch zu kompensieren.^: Indem man grosse Ströme in Lasttreibern, wie etwa Netzgeräte

; oder linearen Ablenkverstärker vermeidet, ausgenommen während _: • den Übergängen, wird der Leistungsverbrauch in den Lasttreibern

wesentlich verringert. Die Anwendung der Ein/Ausmodulation der j

■ Einschaltdauer des Stromes in der grossen Induktivität verhindert _; gleichzeitigen Strom und Spannung in der energieerhaltenden ; Stromquelle , wodurch der gesamte Verbrauch im Ablenksystem j

! im wesentlichen um einen Grössenordnung verringert wird.

Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen ,
welche eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen,
¹ beispielsweise beschrieben. In den Zeichnungen sind:

i Figur 1 ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm einer unipolaren Ausführungsform der Erfindung',

/ Figur 2 eine Darstellung der Zusammenhänge von Strom und Spannung
in der Ausführungsform der Figur 1;

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: Figur 3 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der j

! I

! Erfindung mit Differentialstromfühler;

j Figur 4 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der
Erfindung mit induktiver Kopplung; und

Figur 5 ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung mit interner Rückkopplung.

In der Figur 1 enthält ein typisches magnetisches Ablenksystem
ι ι

ι 10 ein Joch L , welches in Reihe mit einem Rückkopplungswiderstand ! Ir geschaltet ist an dem eine Rückkopplungsspannung mittels j eines Rückkopplungswiderstandes R abgenommen wird um einer j j Summierungsverbindung mit einem Eingangswiderstand R_ zugeführt
zu werden, welchem eine Eingangsspannung V_TW entsprechen der
gewünschten Ablenkung zugeführt wird. An die Verbindung ist

!ein linearer Verstärker 12 mit hoher Verstärkung angeschlossen,

!welcher seinerseits einen Ausgangsleistungsverstärker 14 steuert,

I ;

'welcher den Strom an das Joch L_v-abgibt. Ohne zusätzliche Vorrich- J

ι I

jtungen (wie die welche weiter unten im Zusammenhang mit der Erfin-j dung beschrieben werden) entspricht der Ausgangsstrom I des
Verstärkers 14 dem Strom I_y durch das Joch L_v, also auch dein
Strom durch den Messwiderstand R . Die Spannung am Messwiderstand
R ist deshalb eine lineare Funktion des Stromes durch das Joch

In Übereinstimmung mit der Erfindung umfasst ein zusätzliches,

¹ energieerhaltendes Strommodul 16 eine relativ grosse Induktivität \ L ,welche an einen Knoten angeschlossen ist>um dem Joch L einen ',

■ V* * · JL

Strom I_n zuzuführen und so die Stromanforderungen an den Verstärker j 14 zu verringern. Der Strom in der grossen Induktivität L
j wird durch Modulation der hier von einer Spannungsquelle +V_n -[mittels eines elektronischen Schalters, wie etwa ein Leistungstransistor SWl, zugeführten Spannung geregelt. Der Schalter SWl
wird von einem Signal auf einer an seine Basis angeschlossenen
Leitung, welche vom Ausgang eines Schmidt Triggers 20 kommt,
geschlossen, wobei der Schmidt Trigger in Abhängigkeit von der
j Spannung auf einem Leitxmgspaar 22 , welche von einem Stromfühler,
24 kommen, der zwischen die Spannungsquelle +VC und den Leistungs
verstärker 14 in Reihe geschaltet ist, ein- und ausgeschaltet.

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Wenn der Leistungsverstärker 14 anfängt Strom zu ziehen, welcher ! J oberhalb einer kleinen Amplitude liegt, liefert der Stromfühler
• 24 eine Spannung, welche über der Triggerschwellwertspannung
zum Einschalten des Schmidt Triggers 20 liegt, wodurch auf der
Leitung 18 ein Signal bereitgestellt wird um den Schalter SWl
zu schliessen , so dass Strom von der Spannungsquelle W„ in

die grosse Induktivität L fliesst. Dieser Strom wird zum I

τ Strom I vom Leistungsverstärker 14 hinzuaddiert um den gesamten !

Jochstrom I_y auszumachen, welcher eine geeignete Spannung

am Messwiderstand R_q bewirkte um die am Widerstand R_ angelegte

; Eingangsspannung zu null zu machen. Weil ein Teil des Stromes

ivom energieerhaltenden Modul 16 bereitgestellt wird, liefert

I der Verstärker 14 weniger Strom I an das Joch L . Wenn dieser
ι A χ

j Strom wegen des Aufbaues des Stromes in der grossen Induktivität
I L bis auf eine ausreichend kleine Amplitude abnimmt, so dass

■ die Spannung auf den Leitungen 22 unterhalb die untere Schwell-I wertspannung des Schmidt Triggers.2O fällt, wird der Schmidt

Trigger 20 ausgeschaltet/so dass das Signal auf der Leitung 18 ! verschwindet und der Schalter SWl geöffnet wird. Wenn der Schalter, j SWl geöffnet ist, bleibt der.Strom durch die grosse Induktivität !

j * I

: L erhalten und er fliesst durch das Joch L und den Messwiderstand R_q zur Masse und über eine Diode 25 zurück zur Induktivität L . j Wenn mann die Ausschaltspannung des Schmidt Triggers 20 i

um einen gegebenen Betrag kleiner seine Eingangsspannung macht, j kann der Schalter SWl so gesteuert werden, dass die Stromzufuhr j

■ an die grosse Induktivität L mit einer geeigneten Amplitude
geschieht, so dass das Ausgangsstrom I_ des Verstärkers 14 zwischen ¹ einem kleinen Wert (bei dem ein relativ kleiner Leistungsver- i

■ brauch besteht) und beinahe null (für Ruhestrombedarf) pendelt, j

I i

j so wie es deutlicher in der Figur 2 dargestellt ist. Dort ist (a) !

I eine Darstellung einer beispielsweisen Ablenkbedarfsspannung V™ j und (b) eine Darstellung des approximativen Jochstromes I , '■ welcher daraus resultiert. Grundsätzlich ist der Jochstrom I \ eine genaue Wiedergabe der Spannung V_T„, mit Ausnahme extrem

ι schneller Aenderungen von V__N welche, je nach der maximalen

j Spannung des Systems, das Joch nicht genau folgen kann. Der

j Verstärkerstrom I ist in der Kurve (c) dargestellt: in dem Masse

■wie V₁ von null aus ansteigt, nimmt der Verstärkerstrom ent-

I sprechend ab. Wenn er jedoch einen Schwellwert erreicht (Punkt 26, j

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I Figur 2) , schaltet der Stromfühler 24 den Schmidt Trigger 20 ein,' I welcher den Schalter SWl schliesst, wodurch die Spannungsquelle j +V_, mit der grossen Induktivität L verbunden wird , so dass Strom darin zu fHessen beginnt. Wenn die Beziehung zwischen der Spannungsquelle +V der grossen Induktivität L_ und der An- , Stiegzeit von V_ derart ist, dass der Strom in der grossen Induk-j tivität L_p so schnell ansteigen kann, wie es durch V_TN gefordert wird,'dann wird der Strom in der grossen Induktivität L einfach

V-*

den Strombedarf des Joches folgen und ein konstanter Strom wird ; vom Verstärker 14 bereitgestellt (nach dem Punkt 26). Sobald j V_T abnimmt, (etwa wie beim Punkt 28 der Kurve (a)) , erreicht der I Strom in der grossen Induktivität L eventuell den Wert des j Stromes I ^welcher im Joch erforderlich ist. Dies bewirkt eine Verringerung der Stromzuführung durch den Verstärker 14 ,-so dass eine Verringerung seiner Stromabnahme von der Spannungs-I quelle V vorliegt. Diese wird vom Stromfühler 24 festgestellt, j welcher den Schmidt Trigger20 abschaltet und dadurch den Schalter j SWl öffnet. Deshalb nimmt der Strom in der grossen Induktivität I L ab, so wie es durch Punkt 30 der Kurve (d) der Figur 2 dar- ; gestellt ist. Dies bewirkt seinerseits.dass der Strom im Verstärker i zunimmt, damit ein konstanter mittlerer Strom I (Kurve(b)) ¹ erhalten bleibt; wenn jedoch der Strom I, zunimmt, erreicht er ; wieder die Amplitude die erforderlich ist um den Schmidt Trigger ! ¹ 20 einzuschalten, so dass der Schalter SWl wieder geschlossen !' und die Spannungsquelle=+V_ wieder an die grosse Induktivität · | L angeschlossen wird. Dadurch baut sich der Strom L wieder auf, ; ■ so dass der Strom durch das Joch I_v aus einem grösseren und zunehmenden Strom X_n besteht, so dass der Strom I₇. des Verstärkers 14

' Lf Ά.

] wieder abnehmen kann. Dieser zyklische Vorgang wird so lange fortgesetzt wie der von der Spannung V-,, vorgegebene Strombedarf konstant bleibt.

Sollte V_JN sehr schnell abnehmen, so wie es durch Punkt 34 in der Kurve (a) der Figur 2 angedeutet isty kann es vorkommen/ dass der Verstärker 14 diesem Bedarf nicht genau genug folgen

! kann und die resultierende Aenderung des Jochstromes Ι_γ kann hinter der Eingangsspannung V_1n nacheilen, so wie es durch Punkt 36 der Kurve(b) dargestellt ist. Weil der Strom in der grossen Induktivität (in positive Richtung von ~L„ und Ι_γ) nur langsam

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j abnehmen wird/ ist es notwendig dass der Verstärker einengrossen j !negativen Strom -Ι_Ά an die Verbindung liefert, so dass der Gesamt-· j ^Ά j

j strom Ι_γ durch das Joch L„ rasch auf null abnimmt, so wie im Punkt 38 der Kurve (b) dargestellt ist. Sobald dieser negative ! Strom mit einer grösseren Amplitude zu fHessen beginnt, wie . die Schwellwertamplitude, wäre es wünschenswert,.wenn man eine I negative Spannung an die grosse Induktivität L legen könnte, ! so dass man ihren Strom in eine negative Richtung treiben könnte, ; im Gegensatz zum positiven Strom,welcher durch die Induktivität j L_n fliesst, um so den Strom schneller auf null zu verringern. j Aus diesem Grunde wird die Erfindung praktischer in bipolarer j Form ausgeführt, sowie es in den Ausführungsformen der Figuren I 3 und 4 geschieht. In der zweiten, in der Figur 3 dargestellten Ausfuhrungsform der Erfindung,tragen Elemente, welche denen der Figur 1 gleich sind, gleiche Bezugszeichen. Darin umfasst ein Differentialstromverstärker 40 ein Paar NPN Transistoren j 41, 42 deren Emitter miteinander verbunden sind. Ein kleiner j Widerstand 44 , etwa in der Grössenordnung von einem halben Ohm, ! ist zwischen den Verstärker 14 und die Spannungsquelle +V in j Reihe geschaltet um als Stromfühler zu dienen. Die am Widerstand ι 44 aufgebaute Spannung wird über einen Widerstand 46 an die Basis ; des Transistors 41 und einen geerdeten Widerstand 49 angelegt.

Eine ähnliche Spannung wird mittels eines Widerstandes 48 i für die Basis des Transistors 42 erzeugt, wobei der Widerstand

in Reihe mit einem geerdeten Widerstand 50 liegt, und ihre Ver- ; bindung an die Basis des Transistors 42 angeschlossen ist. . Der Transistor 41 ist normalerweise leitend und der Transistor

42 ist normalerweise gesperrt, wobei der Grad der Leitung durch j den Spannungsteiler 44, 46, 49 für den Transistor 41 und den Span-j j nungsteiler 48, 50 für den Transistor 42 bestimmt wird. Wenn jedoch der Strom durch den Widerstand 44 zu fliessen beginnt, entsteht ein übermässiger Spannungsabfall an ihm, so dass das Potential der Basis des Transistors 41 abnimmt, wodurch weniger ! Emitterstrom durch den gemeinsamen Emitterwiderstand 52 fliesst, J so dass die Emitter negativer werden, während die Basis des \ Transistors 42 auf ungefähr dem gleichen Potential verbleibt. . Dies hat die gleiche Wirkung wie ein positiver Werden seiner "

,Basis, so dass der Transistor 42 leitend wird, wodurch ein

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■ bedeutender Spannungsabfall an seinem Kollektorwiderstand 54 ent-,steht. Dadurch wird die Basis des PNP Schalttransistors 56 ; negativer als sein Emitter, .so dass der Schalter 56 geschlossen i wird und dem Widerstand 50 über einen Rückkopplungswiderstand mehr Strom zugeführt wird, so dass die Basis des Transistors 42 ' j noch positiver wird, wodurch der Transistor 42 in den Sättigungs- j j bereich getrieben wird und dadurch der Transistor 56 selbst ! in den Sättigungsbereich gelangt; wobei dies alles in einer Art ι Kippen geschieht. Mit vollständig geschlossenem Schalter 56 ι wird ein positives Potential an d'ie Basis des .Schalters SWl gelegt ;wodurch dieser eingeschaltet wird um so die Spannungsquelle

j direkt an die grosse Induktivität L anzuschliessen , wodurch

I ^

j der Strom in der grossen Induktivität L zunimmt. Der Strom I in der grossen Induktivität L wird dem Jochstrom hinzuaddiert, I so dass dem Joch weniger Strom I vom Verstärker 14 zugeführt I werden muss. Es besteht also eine entsprechende Abnahme des !stromes von der Spannungsquelle +V_p durch den Widerstand 44,

j so dass die Spannung an der Basis, des Transistors 41 zunehmen !wird, jedoch ist wegen der Rückkopplung über den Widerstand i j 58 der Transistor 42 gesättigt, so dass eine grosse positive j ;Spannung an den zusammengeschalteten Emitter wegen des Stromflusses durch den Widerstand 52 vorliegt. Folglich muss der Strom durch ■ den Widerstand 44 bis zu einem Punkte abnehmen, welcher niedriger j ist als der bei dem er den Transistor 42 einschaltete, ehe er den Transistor 42 ausschalten kann. Wenn jedoch der Strom durch ^:den Widerstand 44 fast gleich null ist, ist die Spannung an der Basis des Transistors 41 ausreichend positiv um ihn leitend zu.machen und dem gemeinsamen Emitterwiderstand 52 genügend Strom : zuzuführen um die Emitter anzuheben, so dass der Transistor 42 beträchtlich weniger leitend wird, und eine wesentliche Verringerung ■ der Spannung an seinem Kollektor bewirkt wird,was seinerseits j den PNP Transistor 56 blockiert und die positive Rückkopplung zum j Widerstand 58 entfernt, so dass der Transistor 42 sehr wenig lei-I tend ist. Bei blockiertem Transistor 56 ist der Schalter SWl geöffnet und Strom fliesst von der Masse durch eine negative !Spannungsquelle -V über die Diode 25 zur grossen Induktivität j L . So wie der Strom durch die grosse Induktivität L abnimmt, !wird dem Joch mehr und mehr Strom vom Verstärker 14 zugeführt, ;so dass eine Zunahme des Stromes im Messwiderstand 44 vorliegt,

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ibis zu dem Zeitpunkt an dem die Spannung an der Basis des Transis-; j tors 41 wieder abnimmt, bis einem Punkt wo dessen Leitfähigkeit j I bedeutend verringert ist, wodurch die Emittervorspannung des Tran-</ j sistors 42 verändert wird, so dass dieser kräftisch zu leiten beginnt, so wie es weiter oben beschrieben worden ist. Somit wird der Differentialstromverstärker 40 zusammen mit dem Transisj türschalter 56 einen zyklischen Betrieb in der gleichen Weise

I bewirken wie es vorhin unter Bezugnahme auf die Ausführungsform i der Figur 1 beschrieben worden ist.

In Figur 3 ist ein zweiter Stromfühler mit einem Widerstand vorgesehen, welcher zwischen den Verstärker 14 und eine negative Spannungsquelle -V geschaltet ist. Dieser steuert seinerseits ι den Differentialstromverstärker 62 , welcher in der gleichen Weise j wie der Differentialstromverstärker 40 arbeitet, um den Transis-¹ torschalter 64 zu betätigen, welcher über den Rückkopplungswider- ! stand 66 wirkt, um den Stromverstärker 6 2 vollständig ein oder iauszukippen, sowie es weiter oben im Zusammenhang mit dem Stromj verstärker 40 beschrieben worden ist, um seinerseits einen Haupt-I transistorschalter SW2 zu steuern, welcher eine Diode 68 als I Rückweg hat. Die bilaterale Form der Figur 3 ist nicht nur nützlich um Ströme entgegengesetzter Polarität (-Ι_γ) an das magnetische Ablenkjoch L_y zu liefern, aber auch um den Strom Ι_γ schneller auf null zu bringen, wie dies in der unilateralen Ausführungsform der Figur 1 durch einfachen Abbau möglich ist. Zurückkommend auf Figur 2 um zu erklären wie das Gerät der Figur 3 j ; dazu gebracht werden kann den Abfall der Eingangsspannung (Punkt | 34) so nahe wie möglich zu folgen, wird der VerStarkerstrom I (Kurve (c)) sehr stark negativ beim Schliessen des Schalters ; SW2 und wenn dies geschieht, nimmt die Steigung der Abnahme ; (Kurve (d)) des Stromes I merklich zu jso dass der Strom in j der Induktivität schneller zu null wird (Punkt 72) , wie das j bei natürlicher Abnahmegeschwindigkeit (dargestellt durch die gestrichelte Linie im Punkt 74) möglich ist. Wenn der Strom in der Induktivität sich dem Wert null nähert, nimmt der negative Strom , welcher vom Verstärker 14 geliefert wird , um den Joch- ! strom gleich null zu machen, abnehmen bis beide Ströme wieder ; null sind.

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I In der rechten Seite der Figur 2 wird eine negative Ablenkung

^; durch eine negative Spannung V_1n (Punkt 76) gefragt;um einen
; immer negativer werdenden Gesamtstrom I , (bei Punkt 78) zu
I bewirken. Dies wird anfangs durch den Verstärker 14 ermöglicht,
dargestellt in Punkt 80, aber wenn der Verstärker 14 den Schwellwert im Messwiderstand 60 (Figur 3) erreicht, was bei Punkt 82
eintritt, dann wird der negative Teil der energieerhaltenden
Stromquelle (untere Hälfte der Figur 3) arbeiten/um einen negativen Strom (-1,-,) durch die Induktivität L zur Summierung mit
j dem negativen Strom (-I₇.) zur Zuführung an das Ablenkjoch L„

zu liefern. Der Schalter SW2 wird in Abhängigkeit von der Stromj zunähme und Stromabnahme durch den Messwiderstand 60 geschlossen
i und geöffnet , sowie das weiter oben für den positiven Strom bej schrieben worden ist.

j Eine einfache Ausführungsform der Erfindung ist in der Figur 4
I dargestellt, in welcher die mit den vorangehend beschriebenen
«Figuren identischen Bauelemente die gleichen Bezugszeichen tragen.
I In der Figur 4 fordert jede Hälfte der e'nergieerhaltenden Strom- . :quelle nur einen Messwiderstand; der Schalter und die Rückdiode j : sind zusammen mit einer Wicklung 90, 91 mit der grossen Induktiv!- i

! "J

,tat L magnetisch gekoppelt. Die Windungen90 und 91 sind so mit- j 'einander gekoppelt wie es durch Punkte dargestellt ist, so dass j 'ein zunehmender positiver Strom, in Richtung des Pfeiles I der

Figur 4 , eine negative Spannung an der Basis des Schalters SWl
;induziert und ein zunehmender negativer Strom (in entgegengesetzter Richtung wie der Pfeil I der Figur 4) eine positive Spannung !

an die Basis des Schalters SW2 koppelt. Auf diese Weise wird j so bald ein ausreichender Strom vom zugehörigen Messwiderstand 44, ; 60 gemessen worden ist, einer der Schalter SWl , SW2 Strom durch !

die grosse Induktivität L_, leiten, und dieser Aufbau des Stromes j wird eine Ruckkopplungs spannung zur Basis des zugehörigen Schalters SWl, SW2 induzieren, damit dieser vollständig geschlossen wird. ;

ι Dies bewirkt die notwendige Hysterese, welche sicherstellt, dass

die Schalter SWl, SW2 zu jedem Zeitpunkt vollständig geöffnet oder
geschlossen sind.

Die Schalter SWl und SW2 können jeweils ein 2N3716 oder ein
2N3792 Transistor sein, mit einer Basis-Emittereinschaltspannung

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in der Grössenordnung von 0,7 Volt und welche bei 0,8 Volt i hochgesättigt sind. Somit genügt eine relativ kleine Kopplung ι und eine relativ kleine Aenderung des Stromes durch die grosse ί Induktivität L , wenn der Messwiderstand 44 bereits ungefähr 0,7 Volt an die Basis des Schalters SWl angelegt hat um den Schalter SWl kräftig in die Sättigung zu treiben. In ähnlicher Weise wird der Schalter SWl nicht geöffnet bis der Strom durch den Messwiderstand 44 unter den Wert fällt, welcher, zusammen mit der von der Wicklung 90 bereitgestellten Spannung, eine Spannung von 0,7 Volt an der Basis des Schalters SWl erzeugen würde. Es sei daran erinnert, dass so lange die Spannungsquelle j +V-, über den Schalter SWl an die grosse Induktivität L angeschlossen ist, der Strom weiterfHessen wird um in L zuzunehmen (bei jeder annehmbarer Einschaltdauer). Somit wird immer eine nega tive Spannung durch die Wicklung 9O an die Basis des Schalters ! SWl gelegt, selbst genau vor dem Oeffnen des Schalters SWl, I als Folge der Abnahme der Stromaufnahme durch den Verstärker 14 j über den Widerstand 44. Wenn der Schalter SWl aber anfängt j zu öffnen, infolge eines sehr kleinen Stromes durch den Widerstand; !44, wird- die Abnahme des Stromes in der grossen Induktivität ' : L eine positive Spannung durch die Wicklung 90 an die Basis i I ^ ί

; des Schalters SWl induzieren, wodurch dieser fast augenblicklich \

[Voll geöffnet wird. . I

1 . . 1

i Die in den Ausführungsformen der Figuren 1, 3 und 4 benutzten ι Stromquellen sind energieerhaltend, weil der Strom, welcher über \

J * I

die grosse Induktivität L_ zugeführt wird, an den SchalternSWl ' ioder SW2 liegt, wenn beide voll gesättigt sind, so dass der ■ Lexstungsverbrauch sich aus der Multiplikation eines Stromes \ imit der Sattigungsspannung des Transistors/welche sehr klein ist, 1 !ergibt. Andererseits, wenn ein grosser Spannungsabfall zwischen !der Spannungsquelle V_c und der Induktivität L besteht, weil die Schalter SWl und SW2 geöffnet sind, dann fliesst kein Strom durch die Schalter und deshalb liegt kein Lexstungsverbrauch vor. Dies steht im Gegensatz zu linearen Verstärkern^in welchen.

!die gesamte Spannung des Netzteiles verbraucht werden muss bei j !dem Strom, welcher in dem gesamten Betriebsbereich des Netzteiles !

ι zugeführt wird je nach dem momentanen Strombedarf und der erforder-

.-liehen Spannung zur Bereitstellung dieses Stromes. I

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In dem einfachen Ausführungsbeispiel der Figur 1 wird die Hysterese intern durch den Schmidt Trigger selbst bewirkt, welcher eine höhere Einschaltschwellwertspannung als Ausschaltschwellwertspannung ■ hat. In der Ausführungsform der Figur 3 wird die Hysterese durch j die positive Rückkopplung der Widerstände 58, 66 bewirkt, j-

!welche nach beginnendem Einschalten einer der Transistorschalter ;

56, 64 eine Rückkopplung zum Ausgangstransistor des Differential- ;

Stromverstärkers 40, 62 bewirken; um die Sättigung des Transistor- j

I schalters 56, 64 herbeizuführen. In ähnlicher Weise führt das "ι

j anfängliche Ausschalten der Transistorschalter 56, 64 zu einer j [Rückkopplung/die dieselben ganz ausschaltet. In der Ausführungs-

! f orm der Figur 4 wird die Hysterese durch die Windungen 90, 91 I

bewirkt,so wie es weiter oben beschrieben worden ist. In der Aus- !

! ι

j führungsform der Figur 3 mag der Schalter SWl ein 2N3716 Transis- |

j tor und der Schalter SW2 ein 2N3792 Transistor sein. Die Basen j der Schalter sind zusammengeschaltet , um zu verhindern dass

j !

j beide gleichzeitig geschlossen werden, was die Spannungsquellen !

I i

j kurz schliessen würde. In der Figur 4 sind diese beiden Schalter j

1 j

I nicht mit ihren Emittern zusammengeschaltet; es ist auch nicht ' !möglich ihre Basen miteinander zu verbinden^ um das gleichzeitige ι '■ Schliessen beider Schalter zu verhindern. Deshalb ist es notwen- ^!

; i

¹ dig,dass die Messwiderstände 44, 6O ausreichend klein sind, j

ι .. ι

: so dass ein sicherer Abstand zwischen dem Ausschalten eines j

• Transistors (wegen abnehmenden Strom einer Polarität) und dem | '■ j

; Einschalten des anderen Transistors (wegen Zunahme des Stromes ;

¹ anderer Polarität) besteht. Wenn also die Messwiderstände einen \

Widerstand von 0,5 Ohm in der Figur 3 haben, können sie rund : ;O,25 Ohm in der Figur 4 haben. Selbstverständlich ist die Auswahl

I spezifischer Parameter vollständig innerhalb der Möglichkeiten j

j des Durchschnittsfachmannes nach Konsultierung der weiten oben j ! beschriebenen Lehre.

Obschon die Ausführungsform der Figuren 1, 3 und 4 explizit äusse-j·

re Rückkopplungen zeigen, kann die Anwendung auch im Zusammenhang \ mit Verstärkerstufen mit interner Rückkopplung gebraucht werden, j sowie es in Figur 5 dargestellt ist. Eine kombinierte Emitter- j

j folgerstufe 94, welche gewöhnlich als Darlingtonverstärker bezeichnet wird, hat eine interne Rückkopplung , welche durch die .Transistorform (94) bewirkt wird , wodurch Zusetzen am Emitter -

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!knotenpunkt 95 eines Stromes von der grossen Induktivität L-,
ι die gleiche Wirkung auf die Kombination Verstärker/Last 1Oa
; (Figur 5) hat, wie im Ablenksystem IO der vorher beschriebenen
j Ausführungsformen. Das energieerhaltende Modul 16 der Figur 5
ist identisch mit dem entsprechenden Modul der Figur 1.

In ähnlicher Weise sei bemerkt, dass, obschon die Ausführungsformen prinzipiell unter Bezugnahme auf lineare Ablenkverstärker
j beschrieben worden sind, für andere Zwecke nützlich Verstärker
;und andere Ausgangsverstärkerstufen (wie etwa die Endtreiberstufe in einem geregelten Netzteil oder in einer Konstantstromquelle) auch mit dem energieerhaltenden Modul einer der beschriebe-r

i '

jnen Ausführungsformen geschaltet werden kann,wobei gleichzeitig

der Leistungsverbrauch verringert wird.

Es sei bemerkt, dass die Energieerhaltung teilweise dadurch zu
! Stande kommtydass der elektronische Schalter (SWl) entweder
ι bei Stromführung vollständig geschlossen ist, wodurch er nur
! einen kleinen Spannungsabfall in Durchlassrichtung und wenig j. Energieverbrauch hat, oder dass der Schalter vollständig geöffnet I ' ist, so dass kein Strom dadurch fHessen kann. Die Erhaltung j

- . i der Energie kommt auch zu Stande dadurch, dass dann , wenn der ! elektronische Schalter geöffnet ist, die grosse Induktivität j

L entweder Strom an die Last (wie etwa L oder die Last 96) ! C x|

liefert oder Strom an das treibende Netzteil oder an andere j Schaltkreise, welche vom treibenden Netzteil gespeist werden, j .liefert. Wenn das treibende Netzteil einen hochkapazitiven Ausgang hat, kann Energie in den Ausgangskondensator des Netzteiles :

zurückgeführt werden? in anderen Fällen kann Energie von der j \ grossen Induktivität an andere Schaltkreise geliefert werden um j !dadurch die Leistungsentnahme aus der Spannungsquelle zu verringern.

i ;

Somit bewirken die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung · eine Energieerhaltung durch Messen von Strömen in einer Lasttreiberstufe und Bereitstellung eines kommutierten Stromes ,
mittels Hysterese^ an einen Punkt ,den die Treiberstufe speist/
mit Rückkopplung (intern oder sonstig)ι um den Strom, welcher
durch die Lasttreiberstufe (in den meisten Fällen) bereitgestellt

1 I

! wird, entsprechend zu verringern, so dass der Gesamtstrom/welcher |

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j vom der Lasttreiberstufe und dem energieerhaltenden Modul bereit-ί gestellt wird gleich dem gewünschten Gesamtstrom sein wird.

ι

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Claims

· P A T E N T A N S P R U E C H E.

Energieerhaltende Stromquelle , gekennzeichnet durch einen Stromverbraucher (L ), eine in einem Knotenpunkt an den Stromverbraucher (L ) angeschlossene Verstärkerstufe (14) mit einer Rückkopplung entsprechend dem dem Knotenpunkt zugeführten Strom und welcher auf ein Eingangssignal und die Rückkopplung anspricht^ um der Last einen dem Eingangssignal entsprechenden Strom zuzuführen, eine Gleichspannungsquelle (+V_n) und einen zwischen

j die Gleichspannungsquelle (+V) und die Verstärkerstufe (14)

ι _>m <-

igeschalteten Stromfühler (24), eine Induktivität (L ), welche

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mit einem Ende an den Stromverbraucher (L ) in dem Knotenpunkt angeschlossen ist, ein zwischen die Gleichspannungsquelle (+V_n) und das andere Ende der Induktivität (L ) angeschlossener elektronischer Schalter (SWl), eine Schaltersteuervorrichtung (20), welche auf den Stromfluss zwischen der Gleichspannungsquelle (+V_n) und dem Verstärker (14) anspricht, wenn dieser über einer vorgegebenen Amplitude liegt, um den elektronischen Schalter (SWl) zu schliessen und welcher auf den Stromfluss zwischen

j der Gleichspannungsquelle (+V_n) und dem Verstärker (14) anspricht,j wenn dessen Amplitude unterhalb der gegebenen Amplitude liegt_/ . um den elektronischen Schalter (SWl) zu öffnen, und durch . Mittel (25) , welche einen Strompfad für den Strom in der Induktivität (L_n) bereitstellen, wenn der elektronische Schalter (SWl) - geöffnet ist.

^; 2. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (25) einen einseitig leitenden Weg umfassen, welcher von der Rückkehrseite (+V) zum anderen Ende der Induktivität ' (L ) führt und welcher derart gepolt ist, dass er Strom zur Induk- ; tivität (L ) führt mit der gleichen Richtung, wie der Strom • welcher vom elektronischen Schalter (SWl) von der Gleichspannungsquelle (+V) zugeführt wird.

\ 3. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

j die Schaltersteuervorrichtung(20) ein Schmidt Trigger ist. i
4. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltersteuervorrichtung ein Differentialverstärker (40) ist, welcher auf den Stromfühler (44) und einen an die Spannungs-

\ quelle (+V_n) angeschlossenen Spannungsteiler (48, 50) anspricht j

■' ■ '

und einen Transistorschalter (56) ,weicher auf den Verstärker !

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j (40) anspricht und dessen Ausgang ein Einschaltsignal für den j elektronischen Schalter (SWl) und eine Rückkopplung zum Verstärker j (40) liefert um diesen voll ein- oder auszuschalten in Abhängigkeit von den Stromänderungen in Stromfühler (44) , umfasst.

5. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltersteuervorrichtung eine magnetisch mit der Induktivität J (L ) gekoppelte Wicklung (90) umfasst/ welche bezüglich der Induk- ! tivität (L-,) derart gepolt ist, dass eine Stromzunahme in der

!induktivität (L_r) eine Spannung in der Wicklung (90) induziert j mit einer Polarität welche das vollständige Schliessen des elektronischen Schalters (SWl) benutzt, wobei die Wicklung (90) zwischen den Stromfühler (44) und den elektronischen Schalter (SWl) geschaltet ist.

6. Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennizeichnet, dass der Verstärker (14) ein bipolarer Verstärker ist/ !welcher bezüglich bipolarer Arbeitsspannungen an seinen Eingängen jarbeitet und auf das Rückkopplungssignal von dem Stromverbraucher j (L ) und auf das Eingangssignal anspricht, dass die Gleichspannungs

■quelle Stromfühler.(44, 60) eine positive Spannungsquelle (+V„)

Iund eine negative Spannungsquelle (-V) umfasst, welche über

j ν-·

leinen entsprechenden der beiden Stromfühler (44, 60) an die entsprechenden Spannungseingänge des Verstärkers (14) angeschlossen sind, dass die Induktivität (L ) mit ihrem anderen Ende über ent- ;sprechende elektronische Schalter (SWl, SW2) an je eine der 'Gleichspannungsquellen (+V-,, -V_) angeschlossen ist, dass die !Schaltersteuervorrxchtung (20) ein Paar SchalterSteuervorrichtungen umfasst, wovon jede auf Strom einer gegebenen Amplitude in einen der Stromfühler anspricht um den zugehörigen elektronischen Schalter

'SWl, SW2) zu schliessen und auf Strom mit einer Amplitude, welche jkleiner als die gegebene Amplitude in dem zugehörigen Stromfühler (44, 60) ist^um den zugehörigen elektronischen Schalter (SWl, SW2) zu öffnen und dass die Mittel (25) Stromwege (25, 68) für Stromfluss in beiden Richtungen durch die Induktivität ICL_n) bereitstellen, wenn die elektronischen Schalter (SWl, SW2) geöffnet sind.

J7. Stromquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jdie Mittel (25, 68) je einen einseitig leitenden Weg (25 bzw. 68) j (umfassen, welcher parallel zu_je einem der._elektronischen Schalter J

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CSWl, SW2) geschaltet ist, und so gepolt ist , dass er Strom in der entgegengesetzten Richtung leitet wie der Stromfluss zur Induktivität (L ) durch den elektronischen Schalter, (SWl, SW2) zu dem er parallel geschaltet ist.

8. Stromquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schaltersteuervorrichtung einen Differentialstromverstärker (40, 62) umfasst , welcher auf den zugehörigen Stromfühler

(44, 60) und einen an die Spannungsquelle (+V_n, "V_n) angeschlosse-j inen Spannungsteiler (48, 50) anspricht und einen auf den Verstärker ί (40, 62) ansprechenden Transistorschalter (56, 64) umfasst/dessen j Ausgang ein Einschaltsignal für den zugehörigen elektronischen Schalter (SWl, SW2) und eine Rückkopplung zum zugehörigen Verstärker (40, 62) liefert,um das vollständige Einschalten oder Ausschalten in Abhängigkeit von den Stromänderungen im zugehörigen Stromfühler (44, 60) zu bewirken.

9. Stromquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass

jede Schaltersteuer'vorrichtung eine magnetisch mit der Induktivität (L ) gekoppelte Wicklung (90, 91) umfasst, welche bezüglich der Induktivität (L ) so gepolt ist, dass eine Zunahme des Stromes in der Induktivität (L ) eine Spannung in der Wicklung (9O, 91) erzeugt mit einer Polarität die das Schliessen des zugehörigen elektronischen Schalters (SWl, SW2) bewirkt, wobei jede Windung an den zugehörigen Stromfühler (44, 60) und den zugehörigen elektronischen Schalter (SWl, SW2) angeschlossen ist.

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