DE2706394A1

DE2706394A1 - Hochfrequenz-leistungsgenerator mit transistoren

Info

Publication number: DE2706394A1
Application number: DE19772706394
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof Dr I Flachenecker; Dieter Dr Ing Hoff; Friedrich Prof Dr Landstorfer; Heinz Dr Ing Lindenmeier; Hans Heinrich Prof Dr Meinke; Georg Dipl Ing Ortler
Original assignee: Meinke hans Heinrich profdr
Current assignee: LINDENMEIER, HEINZ, PROF. DR.-ING., 8033 PLANEGG,
Priority date: 1977-02-15
Filing date: 1977-02-15
Publication date: 1978-08-17
Also published as: DE2706394C2

Description

Hochfrequenz-Leistungsgenerator mit Transistoren
Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Hochleistungsgenerator aus mehreren aufeinanderfolgenden Transistorstufen und einer auf die Betriebsfrequenz abgestimmten Resonanzschaltung als Lastwiderstand der Endstufe, wobei die Resonanzschaltung an den Verstärkerausgang über eine impedanztransformierende Einrichtung mit einstellbarer Impedanztransformation angeschaltet ist und die Endstufe des Verstärkers im Betriebszustand mit einer nahezu konstanten Gleichspannung gespeist ist.
Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Prinzipschaltung und Fig. 3 eine detailliertere Ausführungsform. Im Beispiel ist die Hälfte 1 eines Gegentaktverstärkers gezeichnet, der als Gegentaktverstärker durch eine spiegelbildliche Hälfte l'ergänzt zu denken ist, aber auch in der in Fig. 1 gezeichneten Form als Eintaktverstärker verwendbar ist. Der gezeichnete Verstärker besteht aus einer Endstufe 2 mit einem oder mehreren Transistoren in Parallelschaltung und einer oder mehreren aufeinanderfolgenden Vorstufen 3. 4 ist der Ausgangsanschluß und 5 der Eingangsanschluß des Verstärkers.
Die Versorgungsgleichspannung liegt zwischen den Punkten 6 und 7. Der Generator enthält einen auf die Betriebsfrequenz abgestimmten Resonanzkreis 8 mit einer Spule L und einem Kondensator C. Die Nutzlast, die die vom Generator erzeugte Hochfrequenzleistung verbraucht, ist in bekannter Weise an den Resonanzkreis angekoppelt und durch einen in den Resonanzkreis transformierten Verbraucherwiderstand R schematisch dargestellt. R wird im folgenden als Nutzlast bezeichnet. Der Verstärker 1 schickt aus seinem Ausgang 4 die Hochfrequenzleistung in den Resonanzkreis über eine impedanztransformierende, einstellbare Einrichtung, die im gezeichneten Beispiel darin besteht, daß der Punkt 4 wahlweise an verschiedene Anschlußpunkte 9, 9 ~der Spule L angeschlossen werden kann. Der Verstärker wird an seine Eingang 5 mit einer Wechselspannung auf der Betriebsfrequenz gespeist.
Dies kann auf des Wege der Frederregung sit Hilfe eines gesonderten Steuergenerators geschehen oder auf des Wege der Selbsterregung dadurch, daß die Steuerspunung aus des Resonanzkreis 8 Ober eine der bekannten IOckkopplungsschaltungen entncen wird. In Beispiel der Fig. 3 hat der Verstärker 1 eine Eingangsstufe aus eine Transistor T1. T1 steuert die Endstufen-Transistoren T2, T3 und T4.
Leistungsgeneratoren benötigen zur Verminderung der in Wärme usgesetzten Verlustleistung einen hohen Wirkungsgrad der U setzung von Gleichstromenergie in hochfrequenzenergie, und die lAistungegeneratoren werden daher In C-Betrieb verwendet. Dadurch entstehen starke harmonische Komponenten, die erfahrungsgemäß den Wirkungsgrad ertlich versindern, wenn der Resonanzkreis keine hohe Güte, also keine gute Frequenz selektion hat. Daher werden Hochfrequenz-Leistungsgeneratoren mit hohe Wirkungsgrad vorzugsweise mit Gegentaktverstärkern betrieben, wodurch die geradzaaligen Harmonischen bei ausreichender Sy etrie der Anordnung nahezu verschwinden und der Wirkungsgrad steigt.
Bei großen Hochfrequenz-Leistungen ist es wesentlich, sich den optimalen Wirkungsgrad der Endstufen-Transistoren weitgehend zu nähern, u die Zahl der benötigten Leistungstransistoren und den Aufwand in der Gleichstromversorgung und bei den Kühlmitteln klein zu halten. Die Verstärker nach der Erfindung werden daher unter den bekannten Bedingungen des optimalen Wirkungsgrades betrieben. Zul optimalen Wirkungsgrad gehört eine bestiete Spannungsaussteuerung und eine bestiete Stromaussteuerung. In Meinke-Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 3. Aufl., Berlin 1968, sind in Abschnitt 0 die Regeln fEr die Herbeiführung des optimalen Wirkungsgrades dargestellt. Ii Abschnitt 0 3 wird dort die far den Wirkungsgrad optimale Spannungsaussteuerung als erstes Kriterium für Sendeverstärker mit Hochvakuumröhren erläutert, was in sehr ähnlicher Weise für Transistoren zutrifft.
In Fig. 2 dieser Beschreibung ist der zeitliche Verlauf der Spannung u am Ausgang der Endstufentransistoren des Verstärkers 1 für den Fall optimaler Spannungsaussteuerung dargestellt. Es gibt eine Spannung Umax, die zu keinem Zeitpunkt überschritten werden darf, wobei Umax die durch die Spannungsfestigkeit der Transistoren vorgeschriebene Grenze ist.
Ferner darf die Spannung u einen gewissen unteren Grenzwert Umin nicht unterschreiten, weil bei Spannungen u unterhalb Umin Stromverläufe entstehen, die den in diesem Moment fliessenden Spitzenstrom und dadurch den Wirkungsgrad vermindern, aber auch den Transistor gefährden können. Die maximale Wechselspannungsamplitude Us und dadurch der optimale Wirkungsgrad wird durch den in Fig. 2 dargestellten, zeitlichen Verlauf des u erzielt, wobei die Grenzwerte Umax und Umin nahezu erreicht werden. Hierzu gehört eine bestimmte Gleichspannung U0 Uo = 12 (Umax + Umin)' (1) die von einem Stromversorgungsgerät geliefert wird. U0 ist also die durch den Transistortyp vorgeschriebene optimale Versorgungsspannung. Bei optimaler Aussteuerung der Endstufe benötigt man wie in Fig. 2 eine optimale Wechselspannungsamplitude US = # (Umax - Umin), (2) die durch geeignete Aussteuerung des Verstärkers an seinem Eingang 5 eingestellt werden muß.
Zum optimalen Wirkungsgrad gehört auch eine optimale Stromaussteuerung mit kleinem Stromflußwinkel: vgl. die Abschnitte N 36, 0 2 und 0 3 des genannten Taschenbuchs. Die Aussteuerung des Stromes ist begrenzt durch die zulässige Erwartung der Endstufentransistoren und in manchen Fällen durch den maximal zulässigen Spitzenstrom der Transistoren.
Die optimale Stromamplitude IS ist also ebenfalls durch den Transistortyp der Endstufe des Verstärkers vorgeschrieben.
Die optimale Stromaussteuerung bei gleichzeitiger optimaler Spannungsaussteuerung erfordert die passende Wahl des Lastwiderstandes RL, mit dem der aus L, C und R bestehende Resonanzkreis den Ausgang 4 der Endstufe des Verstärkers über die impedanztransformierende Einrichtung belastet. Der optimale Lastwiderstand Rtopt ist der Quotient der optimalen Spannungsamplitude Us nach G1. (2) und der optimalen Stromamplitude IS aller Endstufen-Transistoren zusammen, ist also insgesamt bei gegebener Zahl der Endstufentransistoren durch den verwendeten Typ der Endstufentransistoren vorgeschrieben. Die Nutzlast R der Resonanzschaltung in Fig. 1 muß also in an sich bekannter Weise durch geeignete Einstellung der impedanztransformierenden Einrichtung in den für den Verstärker optimalen Lastwiderstand RLopt transformiert werden.
Der Generator arbeitet in der Praxis nicht unter gleichbleibenden Bedingungen. Die Nutzlast R ist nicht zeitlich konstant, weil sich beispielsweise bei Verwendung des Generators zur Erwärmung von Metallteilen der temperaturabhändige Widerstand der Metallteile ändert oder sich beim Schmelzen der Metallteile die Stromwege in den Metallteile len andern. Ferner ist in der Praxis die Nutzlast nie genau vorher bekannt, z.B. kann die Menge der zu erwärmenden Metallteile bei aufeinanderfolgenden Prozessen etwas verschieden sein, so daß R beim Einschalten weitgehend unbekannt sein kann. Bei. einfacheren Stromversorgungsgeräten kann auch U0 beispielsweise auf Grund von Schwankungen der Netzspannung schwanken. Wenn man durch Einstellung bestimmter Betriebswerte den Verstärker im optimalen Aussteuerungszustand betreiben, also die Grenzwerte der Spannung, der Ströme und der Erväramig des Transistors nahezu erreichen möchte, besteht stets die Gefahr der Zerstörung der Transistoren, weil bei Abweichungen der Aussteuerung vom optimalen Zustand einzelne Grenzwerte der genannten Art ungewollt Oberschritten werden können. Wenn man andererseits aus Grunde der Betriebssicherheit durch Einstellung der Betriebsuerte einen zu großen Sicherheitsabstand gegenfiber den Grenzwerten einhalt, sinkt die erreichbare Hutzleistung pro Transistor.
Um dann die gleiche Gesamt-Nutzleistung zu erzielen, müßte an die Zahl der Endstufentransistoren und die zugeführte Gleichstromleistung vergrößern, wodurch auch umfangreichere Kühlvorgänge erforderlich werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, sich bei weitgehend unbekannte Lastwiderstand und Schwankungen der Betr iebsspannung U0 zur Erzielung kleinsten Gerateaufnnndes stets den Grenzwerten der optimalen Aussteuerung möglichst gut anzunähern, aber dabei auch die Gefahr der Zerstörung der Transistoren zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Hilfsschaltung zur Einstellung der optimalen Spannungsaussteuerung und eine Hilfsschaltung zur Einstellung der optiaalen stromaussteuerung der Endstufentransistoren vorhanden sind, denen aus der Endstufe des Verstärkers oder aus der Resonanzschaltung kennzeichnende Spannungen oder Ströme zugewährt sind, die den Betriebszustand der Endstufen-Transistoren hinsichtlich Spannungsaussteuerung und Stromaussteuerung kennzeichnen, und jede Hilfsschaltung die ihr zugeffihrten kennzeichnenden Größen mißt und daraus elektrische Meßwerte herstellt und jede Hilfsschaltung auch eine oder mehrere vorgegebene Gleichspannungen oder Gleichströme als Festwerte (UF1, UF2) enthält und aus Meßwerten und Festwerten eine oder nehrere Hegeigrößen gewinnt, mit deren Hilfe mehrere Regelvorgange die ftlr den optimalen Wirkungsgrad erforderliche optianale Spannungsaussteuerung und optimale Stromaussteuerung einstellen, und jede Hilfsschaltung, insbesondere wenn sie im Fall der Übers teuerung der Transistoren diese Übers teuerung nicht oder wegen zu langsamer Regelung nicht ausreichend schnell beseitigen kann, eine oder mehrere Schutzschaltungen enthalten kann, die mit ausreichend kleinen Zeitkonstanten den Übersteuerungszustand zunächst beseitigen, bevor der Regelvorgang der betreffenden Hilfsschaltung abläuft.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung verwendet eine Hilfsschaltung zur Spannungsaussteuerung, die als elektronische Schaltung ausgeführt ist und die optimale Spannungsaussteuerung dadurch einstellt, daß sie die Spannungsamplitude der Vorstufe 3 des Verstärkers, insbesondere die dem Eingang 5 des Verstärkers zugeführte Spannungsamplitude regelt, und eine Hilfsschaltung zur Stromaussteuerung, die die einstellbare, impedanztransformierende Einrichtung enthält und mit vergleichsweise wesentlich größeren Zeitkonstanten die optimale Stromaussteuerung dadurch einstellt, daß sie den Lastwiderstand der Endstufe regelt.
In diesen soeben und später noch beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung kann man auch die Worte ~Strom1 und "Spannung" vertauschen, also die Stromaussteuerung mit Hilfe einer elektronischen Schaltung und die Spannungsaussteuerung mit der vergleichsweise langsamer regelnden, impedanztransformierenden Einrichtung einstellen.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Anordnung, bei der die Hilfsschaltung 10 zur Einstellung der Spannungsaussteuerung als elektronische Schaltung ausgebildet ist und die Spannungsamplitude am Eingang 5 des Verstärkers regelt, während die Hilfsschaltung 19 zur Einstellung der Stromaussteuerung mit Hilfe der Anordnung 25 die impedanztransformierende Einrichtung einstellt und dadurch den Lastwiderstand der Endstufe regelt. In diesem Beispiel enthält die Hilfsschaltung 19 eine Schutzschaltung 26, während die Hilfsschaltung 10 keine Schutzschaltung enthält. Zur Regelung enthält die Hilfsschaltung 10 eine Regelschaltung 11. Dieser Regelschaltung wird an ihrem einen Eingang 12 eine hochfrequente Wechselspannung der Betriebsfrequenz zugeführt, die im Fall der Fremderregung aus einem gesonderten Generator stammt oder im Fall der Selbsterregung in bekannter Weise aus dem Resonanzkreis 8 entnommen wird. Der Regelschaltung 11 wird an ihrem zweiten Eingang 15 eine Spannung zugeführt, die als Meßgröße durch die in der Hilfsschaltung 10 enthaltene Meßschaltung 14 erzeugt wird.
Der Meßschaltung 14 sind elektrische Größen zugeführt, die kennzeichnend für den Aussteuerungszustand der Verstärkerstufe sind, im Beispiel die am Ausgang 4 bestehende Ausgangswechselspannung und die am Punkt 6 bestehende Versorgungsspannung U.
0 In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung mißt die Meßschaltung 14 die momentan auftretende Minimal spannung Umin = Uo - U5 und gewinnt als Meßwert eine Gleichspannung Umin Im Beispiel der Fig. 3 gewinnt man aus der Wechselspannung U5 ~ cosxtcosot und der Versorgungsgleichspannung U0 mit Hilfe der Diode D1, des Kondensators C1 und des Widerstandes R1 eine Gleichspannung. Der Meßschaltung 14 ist die Spannung U0 in solcher Polaritat zugeführt, daß im Punkt 15 als Meßwert die Differenz U0 - U5 = Umin entsteht. Diese Meßgröße wird einem in der Hilfsschaltung 10 enthaltenen Schaltungsteil 11 an seinem Anschluß 15 zugeführt. Ferner ist dem Schaltungsteil 11 an seinem Anschluß 16 die erste Festwertspannung UF1 zugeführt. Der Schaltungsteil 11 erzeugt aus Umin und UF1 eine Regelgröße zur Einstellung des Spannungszustandes am Verstarkereingang 5.
Im Bild 3 ist als Ausführungsbeispiel des Schaltungsteils 11 ein Differenzverstärker 17 und eine Klemmschaltung bekannter Art aus der Diode D2, dem Kondensator C2 und dem Widerstand R2 gezeichnet. Der Differenzverstärker erzeugt an seinem Ausgang 18 eine Klemmspannung UK als Differenz des bei 15 zugeführten Meßwerts Umin und des bei 16 zugeführten Festwerts UF1. Die Klemmspannung ist dann UK = v(U - UF1) oder UK = vU U Umi ) (3) min min je nach Polarität der Spannungen Umin und UF1. Die Klemmschaltung stellt aus der bei 12 zugeführten Steuerspannung die dem Verstärkereingang 5 zugeführte Spitzenspannung so ein, daß dort die momentan auftretende Spitzenspannung nahezu gleich der Klemmspannung UK ist. Der so entstandene Regelkreis regelt bei richtiger Wahl des UF1 die am Punkt 5 bestehende Spitzenspannung so, daß die optimale Spannungsaussteuerung des Verstärkers entsteht und der Meßwert Umin gleich dem zur optimalen Stromaussteuerung gehörenden Wert ist.
Die Einstellung der optimalen Stromaussteuerung erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch Variation des Lastwiderstandes RL, mit dem der Verstärkerausgang belastet wird, d.h.
durch Variation der Impedanztransformation zwischen Nutzlast und Verstärkerstufe. Da diese Variation bei größeren Leistungen vorzugsweise durch mechanische Veränderung der Resonanzschaltung geschieht, hat der Regelvorgang der Stromaussteuerung eine merklich größere Zeitkonstante als die elektronisch durchgeführte Regelung der Spannungsaussteuerung. Man kann also bei der Gestaltung der Regelung der Stromaussteuerung davon ausgehen, daß die Regelung der Spannungsaussteuerung zu jedem Zeitpunkt bereits nahezu vollzogen ist, bevor die Regelung der Stromaussteuerung erfolgt.
Wegen der Trägheit der Regelung der Stromaussteuerung durch Impedanzänderung muß man zwei Fälle unterscheiden: 1) Der Lastwiderstand RL ist anfangs größer als der optimale Wert RLoptf 2) Der Lastwiderstand RL ist anfangs kleiner als der optimale Wert RLopt Im Fall RL > RLopt ist bei richtig eingestellter Spannungsaussteuerung die Amplitude des Ausgangswechselstroms der Endstufen-Transistoren anfangs kleiner als der optimale, höchstzulässige Wert. Die Endstufentransistoren sind nicht überlastet.
Die Regelung erfolgt durch die Hilfsschaltung 19 in Richtung kleinerer Werte des N solange, bis das optimale RLopt pt hinreichend genau erreicht ist.
Im Fall E < R ist die Amplitude des Ausgangswechselstroms der Endstufen-Transistoren anfangs größer als der höchstzulässige Wert und die Endstufen-Transistoren sind gefährdet. Die Zerstörung der Transistoren kann in diesem überlasteten Zustand so schnell erfolgen, daß die Regelung der impedanztransformierenden Resonanzschaltung zu langsam für den Schutz der Transistoren ist. In der hier als Beispiel beschriebenen Ausfuhrungsform der Erfindung enthält die Hilfsschaltung der Stromaussteuerung zusätzlich eine elektronische Schutzschaltung 26, die das Auftreten des Falles RL < n feststellt und mit ausreichend kleinen Zeitkonstanten eine weitere Regelspannung erzeugt, die den Überlastungszustand der Transistoren durch Ändern der Betriebsbedingungen des Verstärkers schnell beseitigt, vorteilhaft durch Verminderung der Wechselspannungsamplituden des Verstärkers.
Um die Hilfsschaltung 19 der Stromaussteuerung betreiben zu können, muß man ihr an einem Eingang 20 aus dem Verstärker einen Strom oder eine Spannung zuführen, die kennzeichnend ist ffir den Zustand der jeweiligen Stromaussteuerung. In dem Fall, in dem die optimale Spannungsaussteuerung bereits eingestellt ist, ist als kennzeichnender Strom der Summengleichstrom aller Endstufentransistoren oder ein definierter Teil von ihm vorteilhaft zu verwenden. Beispielsweise fließt dieser Strom in der Hilfsschaltung 19 durch einen Widerstand 21 und erzeugt an ihm eine zu diesem Strom proportionale, kennzeichnende Gleichspannung UM als Meßwert, der sich besonders gut für die Weiterverarbeitung in elektronischen Schaltungen eignet. Mit Hilfe einer am Punkt 31 der Hilfsschaltung in geeigneter Größe zugeführten Festwertspannung UF2 entsteht am Ausgang 24 einer elektronischen Teilsohaltung 23 in Kombination mit dem Meßwert eine Regelspannung, die in einer Einrichtung 25 die erforderliche Variation der Impedanztransformation am Resonanzkreis vornimmt. Der so entstandene Regelkreis stellt bei geeigneter Wahl der Festwertspannung UF2 die Lastimpedanz N auf den optimalen Wert Nopt ein.
Die Regel größe zur Stromaussteuerung entsteht in solchen Anwendungsfällen, in denen in der Resonanzschaltung eine stetige Variation der Impedanztransformation erfolgen kann, beispielsweise nach Fig. 3 mit Hilfe eines Differenzverstärkers 32, dem an seinen beiden Eingängen 22 und 31 die Meßwertspannung UM und die Festwertspannung UF2 zugeführt sind und an dessen Ausgang 24 die Regelgröße Ux - UF2 oder UF2 -UM je nach Polaritat der Gleichspannungen erscheint. Impedanztransformationen mit stetig variierbarer Transformation sind bekannt in Form von Schaltungen mit einstellbaren Kondensatoren, einstellbaren Spulen oder als Transformatoren mit einstellbarer Gegeninduktivität.
Wegen der Trägheit der mechanischen Änderung der Resonanzschaltung zwecks Änderung der Impedanztransformation enthält die Hilfsschaltung zur Einstellung der Stromaussteuerung in dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel eine Schutzschaltung 26, um im Fall s < Eopt eine schnelle Entlastung des Verstärkers herbeizuführen. In diesem Beispiel geschieht dies durch eine entscheidende Verminderung der den Verstärker in Punkt 5 aussteuernden Spitzenspannung, am einfachsten dadurch, daß man eine entsprechende, am Ausgang 28 der Schutzschaltung 26 erzeugte, hinreichend kleine Spannung auf den Punkt 18 der Klermmschaltung so wirken läßt, daß diese Spannung in diesem Moment die Klemmspannung bestimmt und dadurch die Spitzenspannung des Punktes 5 entsprechend klein hält. Die Schutzschaltung 26 enthält dann beispielsweise einen Schwellwert- Differenzverstärker 33, dessen beiden Eingängen der Meßwert des Punktes 20 und eine Festwertspannung UF3 des Punktes 27 zugeführt ist. Überschreitet der Meßwert den Festwert, so entsteht am Ausgang 34 des Differenzverstärkers eine Spannung derart, daß dadurch dem Punkt 18 über eine Schaltung 35 die erforderliche Klemmspannung aufgezwungen wird, und zwar unabhängig von der Spannung, die die Schaltung 14 dort erzeugt.
Die Schaltung 35 ist so gestaltet, daß der Ausgang 34 die Spannung am Punkt 18 nicht beeinflußt, wenn der Meßwert des Punktes 20 den Festwert des Punktes 27 nicht überschreitet.
Die Schaltung 35 enthält beispielsweise wie in Fig. 3 eine Diode.
Es gibt Fälle, in denen aus technologischen und/oder konstruktiven Gründen die vorher genannten, stetig veränderbaren, transformierenden Gebilde nicht verwendbar oder unvorteilhaft sind. Es besteht dann die Möglichkeit, die Variation der Impedanztransformation dadurch zu erzielen, daß man in der Resonanzschaltung sprunghafte Veränderungen vornimmt derart, daß der Ausgangsanschluß 4 des Verstärkers durch einen in der Einrichtung enthaltenen Umschalter 36 an verschiedene Punkte der Resonanzschaltung angeschaltet wird, beispielsweise wie in Fig. 3 an die Spule L, und der Anschlußpunkt längs der Spule verschoben wird (Punkte 9 und 9'), wobei der Anschlußpunkt durch einen in der Einrichtung 25 enthaltenen Elektromagneten 37 umgeschaltet wird. Diese Umschaltung erfolgt üblicherweise so, daß ein Stromstoß durch den Elektromagneten die Umschaltung bewirkt. Dieser Stromstoß entsteht aus der Regelgröße des Ausgangs 24. Hierzu hat beispielsweise der Differenzverstärker 32 der Schaltung 23 die Form eines Schwellwert-Differenzverstärkers, der dann, wenn die Differenz zwischen Meßwert und Festwertspannung eine gewisse Mindestgröße überschreitet, einen Strom solcher Größe und Richtung abgibt, daß der Elektromagnet eine mechanische Bewegung in der impedanztransformierenden Einrichtung verursacht. Im allgemeinen werden die notwendigen Änderungen der Impedanz so umfangreich sein, daß der Umschalter dieses Beispiels mehrere Schaltstellungen haben muß, beispielsweise die Spule L mehr als zwei Anschlußpunkte für den Verstärkerausgang besitzen muß.
Dann verwendet man vorteilhaft eine elektromagnetische Umschaltung in der Form des bekannten Schrittschalters, der durch entsprechend viele, aufeinanderfolgende Stromstöße geschaltet wird. Dann muß die den Schrittschalter steuernde Einrichtung nach jedem Schaltschritt eine Strompause schaffen, um den Schrittschalter für den nächsten Schaltschritt vorzubereiten.
Da sich bei Umschaltungen in der Resonanzschaltung während des Umschaltens die Impedanzbelastung der Verstärkerendstufe in recht undefinierter Weise ändert und dabei die Endstufen-Transistoren gefährdet sein können, wird in einer vorteilhaften Ausführung dieses Anwendungsfalles in Fig. 3 der Verstärker durch eine weitere Schutzschaltung 38 geschützt, durch die die am Eingang 5 zugeführte Wechselspannung während des Umschaltens entscheidend vermindert wird. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß dem Punkt 18 der Klemmschaltung eine geeignete Spannung aus dem Ausgang 24 der zweiten Regelschaltung 23 über eine zusätzliche Schaltung 29 zugeführt wird und dadurch am Punkt 18 eine Klemmspannung erzwungen wird, die die Eingangsspannung des Verstärkers vermindert oder abschaltet. Es entsteht durch das Abschalten der Verstärkeraussteuerung gleichzeitig die Strompause für den Schrittschalter.
Der günstigste Zeitverlauf für das Abschalten des Verstärkers und für den Stromstoß des Elektromagneten ist etwas verschieden. Beispielsweise muß die Aussteuerung des Verstärkers bereits vermindert sein, wenn der Stromstoß des Elektromagneten beginnt. Um den optimalen Zeitablauf der beiden genannten Vorgänge zu gewinnen, werden daher in einer vorteilhaften Form der Erfindung wie in Fig. 3 in die Stromwege vom Ausgang 24 zum Punkt 18 und zur Einrichtung 25 Verzögerungsglieder 29 und 30 verschiedener Verzögerung eingebaut, wobei die Verzögerung zur Einrichtung 25 größer ist als die Verzögerung zum Punkt 18. Die Verzögerungsglieder 29 und 30 müssen Speichereigenschaften haben, weil der Meßwert am Punkt 20 und dementsprechend die Spannung am Punkt 24 nach dem Abschalten der Eingangsspannung des Verstärkers verschwindet.
Fig. 3 enthält auch ein Beispiel für eine Schutzschaltung 40 innerhalb der Hilfsschaltung 10 für die Spannungsaussteuerung.
Eine solche Schutzschaltung erweist sich in der Praxis als erforderlich im Fall eines extrem schnellen, z.B. explosionsartigen Verschwindens des Nutzwiderstandes R. Es können dann wegen der in L und C gespeicherten Feldenergien Spannungsamplituden am Resonanzkreis entstehen, die größer sind als die Betriebsspannung UO, so daß Momentanspannungen falschen Vorzeichens am Transistor entstehen. In solchen Momenten kann bekanntlich eine Aussteuerung des Transistors zu seiner Zerstörung führen. Dies erkennt die Hilfsschaltung 10 daran, daß am Punkt 15 ein zu kleiner Meßwert Umin erscheint. Der Schutzschaltung 40 ist dieser Meßwert zugeführt, ebenso ein Festwert UF4 am Punkt 41. Die Schutzschaltung, deren Arbeitsweise der Schutzschaltung 26 entsprechen kann, schaltet dann hinreichend schnell die Aussteuerung des Verstärkers ab, beispielsweise am Punkt 18. Im Beispiel der Fig. 3 enthält die Schutzschaltung 40 den Differenzverstärker 42, analog zu 33, und eine Diodenschaltung 43, analog zu 35.
Leerseite

Claims

Patentansprüche 1. Hochfrequenz-Leistungsgenerator aus mehreren aufeinanderfolgenden Transistorstufen und einer auf die Betriebsfreauenz abaestimmten Resonanzschaltuna als Lastwiderstand der Endstufe. wobei die Resonanzschaltuna an den Verstärkerausgang über eine impedanztransformierende Einrichtung mit einstellbarer Impedanztransformation angeschaltet ist und die Endstufe des Verstärkers mit einer nahezu konstanten Gleichspannung gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfsschaltung (10) zur Einstellung der optimalen Spannungsaussteuerung und eine Hilfsschaltung (19) zur Einstellung der optimalen Stromaussteuerung der Endstufentransistoren vorhanden sind, denen aus der Endstufe des Verstärkers oder aus der Resonanzschaltung kennzeichnende Spannungen oder Ströme zugeführt sind, die den Betriebszustand der Endstufen-Transistoren hinsichtlich Spannungsaussteuerung und Stromaussteuerung kennzeichnen, und jede Hilfsschaltung die ihr zugeführten kennzeichnenden Größen mißt und daraus elektrische Meßwerte herstellt und jede Hilfsschaltung auch eine oder mehrere vorgegebene Gleichspannungen oder Gleichströme als Festwerte (UF1, UF2) enthält und aus Meßwerten und Festwerten eine oder mehrere Regelgrößen gewinnt, mit deren Hilfe mehrere Regelvorgänge die für den optimalen Wirkungsgrad erforderliche optimale Spannungsaussteuerung und optimale Stromaussteuerung einstellen, und jede Hilfsschaltung, insbesondere wenn sie im Fall der Übersteuerung der Transistoren diese Übersteuerung nicht oder wegen zu langsamer Regelung nicht ausreichend schnell beseitigen kann, eine oder mehrere Schutzschaltungen enthalten kann, die den Übersteuerungszustand mit ausreichend kleinen Zeitkonstanten zunächst beseitigen, bevor der Regelvorgang der betreffenden Hilfsschaltung abläuft.
2.) Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Hilfsschaltung als elektronische Schaltung ausgebildet ist und den zugehörigen Regelvorgang mit kleinen Zeitkonstanten ausführt und die zweite Hilfsschaltung mit vergleichsweise wesentlich größerer Zeitkonstanten den Lastwiderstand der Endstufe unter Verwendung einer mechanisch einstellbaren, impedanztransformierenden Einrichtung regelt.
3.) Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschaltung zur Einstellung der optimalen Spannungsaussteuerung als elektronische Schaltung mit kleiner Zeitkonstante ausgebildet ist und die Hilfsschaltung zur Einstellung der optimalen Stromaussteuerung den Lastwiderstand der Endstufe regelt.
4.) Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschaltung zur Einstellung der optimalen Stromaussteuerung als elektronische Schaltung mit kleiner Zeitkonstante ausgebildet ist und die Hilfsschaltung zur Einstellung der optimalen Spannungsaussteuerung den Lastwiderstand der Endstufe regelt.
5.) Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschaltung (10) zur Einstellung der optimalen Spannungsaussteuerung eine erste Meßschaltung (14) und eine erste elektronische Regelschaltung (all) enthält und der Meßschaltung als kennzeichnende elektrische Größen die Ausgangswechselspannung US ~ cosut der Endstufe des Verstärkers und die Betriebsgleichspannung UO der Endstufe zugeführt sind und am Ausgang (15) der Meßschaltung als ersten Meßwert eine Gleichspannung Umin = Uo - U5 gleich der am Ausgang der Endstufe auftretenden, momentanen Minimalspannung entsteht und an den einen Eingang der Regelschaltung geliefert wird.
6.) Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Regelschaltung die Eingangsspannung des Verstärkers einstellt.
7.) Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Regelschaltung (11) einen ersten Differenzverstärker (17) enthält, dem an seinem einen Eingang (15) der aus der Meßschaltung (14) stammende erste MeB-wert (Umin) und an seinem zweiten Eingang (16) ein erster Festwert (UF1) zugeführt ist und an dessen Ausgang (18) eine Regelspannung (UK) als Differenz des Meßwerts und des Festwerts entsteht, und der Regelschaltung an einem weiteren Eingang (12) eine hochfrequente Steuerspannung zugeführt ist und die Regelschaltung (11) eine Klemmschaltung (C2, R2, D2) enthält, der die erste Regelspannung und die hochfrequente Steuerspannung derart zugeführt sind, daß am Ausgang (44) der Regelschaltung eine Spannung entsteht, deren Spitzenspannung nahezu gleich der Regelspannung ist, und die erste Festwertspannung (UF1) SO gewählt ist, daß sich der Meßwert (Umin) nach erfolgter Regelung auf den für die optimale Spannungsaussteuerung erforderlichen Wert einstellt.
8.) Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschaltung (19) zur Einstellung der optimalen Stromaussteuerung einen Gleichstromwiderstand (21) enthält, durch den der Summengleichstrom der Endstufentransistoren oder ein definierter Teil von ihm gleitet wird, und die an diesem Widerstand bestehende Gleichspannung UM als zweiter Meßwert verwendet wird.
9.) Generator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschaltung zur Einstellung der optimalen Stromsaussteuerung eine zweite Regelschaltung (23) zur Gewinnung einer Regelgröße enthält und diese Regelschaltung einen zweiten Differenzverstärker (32) enthält, dem an seinem einen Eingang (22) die Meßwertspannung UM und an seinem zweiten Eingang (31) eine zweite Festwertspannung UF2 zugeführt ist und an seinem Ausgang (24) eine Regelgröße als Differenz von Meßwert und Festwert entstehen läßt, die einer die Impedanztransformation einstellenden elektromechanischen Einrichtung (25) derart zugeführt ist, daß der Regelvorgang bei geeigneter Wahl der zweiten Festwertspannung UF2 die optimale Stromaussteuerung einstellt.
10.) Generator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschaltung zur Einstellung der optimalen Stromaussteuerung eine elektronische Schutzschaltung (26) enthält, die feststellt, wann der zweite Meßwert UM einen zulässigen Grenzwert überschreitet, und die Schutzschaltung so gestaltet ist, daß im Fall des Überschreitens des Grenzwerts eine schnelle Minderung, insbesondere ein Abschalten, der Eingangsspannung des Verstärkers stattfindet.
11.) Generator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schutzschaltung (26) einen dritten Differenzverstärker (33) enthält, dessen beiden Eingängen (21, 27) die zweite Meßwertspannung und eine dritte Festwertspannung UF3 zugeführt sind und an dessen Ausgang (34) die Differenz dieser beiden Spannungen erscheint, und die Schutzschaltung ferner einen elektronischen Schalter (35), z.B. eine Diode, enthält und dieser Schalter durchlässig wird, wenn die Ausgangsspannung des dritten Differenzverstärkers einen vorgegebenen Wert überschreitet, und der dann durchlässige Schalter die schnelle Minderung, bzw.

das Abschalten der Eingangsspannung des Verstärkers veranlaSt.
12.) Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschaltung (10) zur Einstellung der optimalen Spannungsaussteuerung eine elektronische Schutzschaltung (40) enthält, die feststellt, wann der erste Meßwert Umin einen zulässigen Grenzwert unterschreitet, und die Schutzschaltung so gestaltet ist, daß im Fall des Unterschreitens des Grenzwerts eine schnelle Minderung, insbesondere ein Abschalten, der Eingangsspannung des Verstärkers stattfindet.
13.) Generator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schutzschaltung (40) einen vierten Differenzverstärker (42) enthält, dessen beiden Eingängen (15, 41) die erste Meßwertspannung (Umin) und eine vierte Festwertspannung (UF4) zugeführt sind und an dessen Ausgang die Differenz dieser beiden Spannungen erscheint, und die Schutzschaltung ferner einen elektronischen Schalter (43), z.B. eine Diode, enthält, und dieser Schalter durchlässig wird, wenn die Ausgangsspannung des vierten Differenzverstärkers einen vorgegebenen Wert überschreitet, und der dann durchlässige Schalter die schnelle Minderung, bzw.

das Abschalten des Verstärkers veranlaßt.
14.) Generator nach Anspruch 11 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter der betreffenden Schutzschaltung im Fall seiner Durchlässigkeit eine geeignete Spannung am Ausgang (18) des ersten Differenzverstärkers (17) erzwingt und diese erzwungene Spannung die Klemmschaltung veranlaßt, die Spitzenspannung der Eingangsspannung des Verstärkers zu reduzieren.
15.) Generator nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Lastwiderstandes der Endstufe des Verstärkers durch eine elektromechanische Einrichtung (25) so erfolgt, daß die Endstufe über eine induktive Ankopplung an den Resonanzkreis (8) gekoppelt ist und die Gegeninduktivität der Ankopplung durch die elektromagnetische Einrichtung verändert wird.
16.) Generator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Lastwiderstandes der Endstufe des Verstärkers durch eine elektromechanische Einrichtung in Form eines Schrittschalters erfolgt und die Spule (L) des Resonanzkreises mehrere Anschlußpunkte (9, 9') besitzt und der Ausgang (4) des Verstärkers schrittweise an verschiedene Anschlußpunkte der Spule geschaltet wird.
17.) Generator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß während des Umschaltens des Anschlußpunktes der Spule die dem Eingang (5) des Verstärkers zugeführte Spannung erheblich vermindert, bzw. abgeschaltet wird.
18.) Generator nach Abspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Ausgang (24) der zweiten Regelschaltung (23) entnommene Spannung über ein erstes Verzögerungsglied (30) dem Elektromagneten des Schrittschalters und über ein zweites Verzögerungsglied (29) dem Ausgang (18) des ersten Differenzverstärkers (17) zugeführt ist und dort eine solche Klemmspannung erzwingt, die das Vermindern, bzw. Abschalten der Eingangsspannung des Verstärkers verursacht, und die Laufzeiten in den Verzögerungsgliedern so eingestellt sind, daß die Eingangsspannung des Verstärkers bereits vermindert ist, wenn der Stromstoß des Elektromagneten beginnt.
19.) Generator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsglieder Speichereigenschaften haben derart, daß ihre Ausgangsspannungen für gewisse Zeit nach dem Abschalten der Eingangsspannung des Verstärkers bestehen bleiben.