DE3529011A1 - Hochspannungstransformator mit einem kern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungstransformator für ein Schaltnetzteil oder einen Gleichspannungswandler mit einer Wicklung zur Erzeugung der Heizspannung, z. B. für ein Magnetron oder eine Kathodenstrahlröhre. Bekannte Transformatoren dieser Art haben im allgemeinen einen Magnetkern aus Ferritmaterial mit hoher Permeabilität und kleiner magnetischer Remanenz, wie z. B. Ferrit. Dabei besteht der Kern aus zwei Kernhälften, die zusammen einen geschlossenen magnetischen Kreis bilden. Auf einem Schenkel des Kerns sind die Primärwicklung und wenigstens eine Sekundärwicklung insbesondere koaxial und elektrisch von­ einander und zum Kern isoliert angeordnet. Bei der Hochspannungs­ versorgung für Kathodenstrahlröhren liegt die Primärwicklung des Transformators im allgemeinen zwischen der Klemme einer niedrigen Betriebsspannung und dem Kollektor eines NPN-Leistungs- Schalttransistors, der gleichzeitig den elektronischen Schalter der Zeilenablenkschaltung bildet. Dabei ist es bekannt, in der Nähe des kalten oder geerdeten Endes der Hochspannung- Sekundärwicklung eine weitere Sekundärwicklung, also eine dritte Wicklung, mit nur einer Windung vorzusehen, die die Heizspannung für die jeweils verwendete Elektronenröhre, z. B. ein Magnetron oder eine Bildröhre liefert. Diese Lösung ist deshalb möglich, weil die Zeilenendstufe von einer relativ niedrigen Betriebsspannung von einigen 10 bis etwa 100 Volt gespeist wird. Wenn jedoch die genannte Ausgangsstufe direkt aus der mit einem Brückengleichrichter ohne Transformator ge­ wonnenen Betriebsspannung gespeist wird, wie es allgemein bei Hochspannungs-Schaltnetzteilen für Magnetrons der Fall ist, beträgt bei einer Netzspannung von 220 V und 50 Hz die erzeugte Betriebsgleichspannung etwa 300 V. In diesem Fall würde die genannte Heizwicklung eine Wechselspannung liefern, die für die Speisung des Heizfadens zu groß ist. Daher muß zwischen einer Klemme des Heizfadens und der genannten Heizwicklung ein Widerstand eingeschaltet werden. Ein solcher Widerstand hat den Nachteil, daß an ihm eine Leistung von einigen Watt verlorengeht.

Bei der Betriebsspannungsversorgung eines Magnetrons ist die mit der Anode verbundene positive Klemme geerdet, und die mit der Kathode verbundene negative Klemme liegt auf einer nega­ tiven Spannung von einigen kV. Wenn die Hochspannungs-Sekundär­ wicklung einen Gleichrichter mit Spitze-Spitze Gleichrichtung oder einen Halbwellen-Spannungsvervielfacher speist, sind wenig­ stens ein Ladekondensator und eine Gleichrichterdiode zwischen der Kathode und der zugehörigen Betriebsspannungsklemme vorge­ sehen. Daher muß die Heizwicklung gegenüber beiden Enden der Hochspannungs-Sekundärwicklung und der Primärwicklung einwand­ frei isoliert sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Transformator so auszubilden, daß die dritte Wicklung eine geringere Spannung erzeugt, die ohne Vorschaltung eines Widerstandes als Heiz­ spannung für eine Elektronenröhre verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfin­ dung gelöst, Vorteilhafte Weiterbidlungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird also die von der aus einer Windung bestehenden Heizwicklung erzeugte Spannung da­ durch verringert, daß nur ein Teil des im Kern wirksamen magnetischen Flusses ausgenutzt wird. Durch Wahl des Verhält­ nisses zwischen der von der Windung umgebenen Querschnitts­ fläche des Kerns zur Gesamtfläche kann genau die jeweils ge­ wünschte Spannung, z. B. Heizspannung für eine Elektronenröhre, erzeugt werden. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht auch die genannte notwendige gute Isolierung der dritten Wicklung gegenüber den anderen Wicklungen und dem Kern.

Die Erfindung wird in folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 einen bekannten Hochspannungstransformator mit Kern und Wicklung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die untere Kernhälfte von Fig. 1,

Fig. 3 die untere Kernhälfte mit erfindungsgemäßer Anordnung der Heizwicklung,

Fig. 4 eine Ansicht von links des Kernes von Fig. 3, wobei die Heizwicklung teilweise geschnitten ist,

Fig. 5 eine weitere Ausfürhungsform eines erfindungsgemäßen Transformators und

Fig. 8 eine Draufsicht auf die untere Kernhälfte von Fig. 5.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines bekannten Hochspannungs- Transformators 1 mit einem Magnetkern 2, der aus zwei U-förmigen Hälften 3 und 4 zusammengesetzt ist, sowie zwei koaxial ange­ ordneten Wicklungen 5 und 8, die auf einen Spulenkörper 7 aus einem isolierenden Kunststoff gewickelt sind. Die Kernhälfte 3 hat einen Basisschenkel 30 und die Kernhälfte 4 einen Basis­ schenkel 40, von deren Enden jeweils zwei parallele Schenkel 31, 32 bzw. 41 und 42 ausgehen. Die Schenkel 31 und 41 haben einen runden Querschnitt und sind in die innere Öffnung des Spulenkörpers 7 eingesteckt. Die Stirnenden 33 und 43 der Schenkel 31 und 41 liegen einander in einem definierten Ab­ stand gegenüber und bilden einen Luftspalt mit der gewünschten Länge. Die Schenkel 32 und 42 haben rechteckigen Querschnitt und sind ebenfalls so angeordnet, daß ihre eben ausgebildeten Stirnenden 34 und 44 einander berühren oder unter Bildung eines zweiten Luftspaltes voneinander entfernt sein.

Die Wicklung 5 ist die Primärwicklung und die Wicklung 8 die die Hochspannung liefernde Sekundärwicklung. Die Wicklung 8 besteht vorzugsweise aus mehreren Schichten, die durch Isolier­ zwischenlagen voneinander isoliert sind. Wenn eine zweite Sekundärwicklung oder Tertiärwicklung benötigt wird, die von den übrigen Wicklungen gut isoliert sein muß, kann diese auch auf den freien Schenkeln 32, 42 des Kerns 2 angeordnet sein.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die untere Kernhälfte 4 des Magnetkerns 2 und zeigt die unterschiedlichen Querschnitte der Schenkdel 41 und 42. Bei einem praktischen Ausführungsbei­ spiel beträgt die Höhe H des Schenkels 42 etwa 37 mm, die Breite E etwa 11 mm und der Durchmesser D des zylindrischen Schenkels 41 etwa 35 m.

Bei Verwendung eines Magnetkerns 2 gemäß Fig. 1, 2 kann eine dritte, von der Primärwicklung 5 und der Sekundärwicklung 8 isolierte Wicklung um die Schenkel 32, 42 gewickelt werden. Dabei kann der Fall eintreten, daß das Windungsverhältnis zwischen der dritten Wicklung und der Primärwicklung und die Spannung an der Primärwicklung so hoch sind, daß die Spannung an der dritten Wicklung höher ist als die für ein Magnetron oder eine Kathodentrahlröhre benötigte Heizspannung. Dann müßte ein Wiederstand zwischen der Wicklung und der Heizwicklung ein­ gefügt werden. Um die an diesem Widerstand auftretende Verlust­ leistung zu verringern oder ganz zu vermeiden, wird die an der dritten Wicklung erzeugte Spannung durch Verringerung des die Wicklung durchsetzenden magnetischen Flusses herabgesetzt.

Fig. 3 zeigt eine Kernhälfte 48 des Magnetkerns mit einer der­ artigen Ausbildung, daß die genannte Verringerung des magne­ tischen Flusses erreicht wird. Fig. 4 zeigt eine Ansicht der Anordnung von Fig. 3 von links zusammen mit der dritten Wick­ lung.

In Fig. 3 sind der Basisschenkel 40 und der zylindrische Schenkel 41 gegenüber Fig. 2 unverändert. Der Schenkel 42 mit rechteckförmigem Querschnitt ist jedoch gegenüber Fig. 2 ab­ gewandelt. Das Ende des Schenkels 42 enthält eine rinnenför­ mige Vertiefung 45. Deren Breite und Tiefe sind so bemessen, daß ein Strang oder ein Draht mit einer Hochspannung-Isolierung in die Vertiefung eingelegt werden kann und eine dritte Wick­ lung mit einer einzigen Windung bildet. Die Achse X-X der Ver­ tiefung 45 verläuft parallel zu dem Basisschenkel 40. Der Ab­ stand A zwischen der Achse X-X und einer Seitenwand des Schen­ kels 42 ist so gewählt, daß das Verhältnis A/D gleich ist dem Verhältnis zwischen der gewünschten Spannung zu der Spannung an den Klemmen einer einzigen Windung, die den gesamten Quer­ schnitt des Schenkels 42 umgibt.

Fig. 4 zeigt, daß für die Erzielung der Spannungsverringerung durch Verringerung der von der dritten Wicklung 9 umschlossenen Kernfläche keine Änderung der oberen Kernhälfte 3 erforderlich ist. Wenn d der Durchmesser des mit einer Hochspannungsisolierung versehenden Drahtes 10 ist, können die Breite und die Tiefe der Vertiefung 45 etwa gleich dem Wert d bemessen werden, wobei der Grund der Vertiefung 45 halbzylinderförmig ausgebildet ist.

Wenn der Querschnitt des Schenkels 32 oder 42, der die dritte Wicklung 9 tragen soll, nicht rechteckförmig ist, ist die Spannungsverringerung gleich dem Verhältnis der Querschnitts­ fläche des Kernes 2, die von dem Draht der dritten Wicklung 9 umschlossen ist, zu der Gesamt-Querschnittsfläche. Die Vertie­ fung 45 kann unterschiedliche Formen haben, z. B. die Form eines Parallelogramms oder eines Rechtecks. Die Vertiefung 45 kann auch nach der Herstellung des Kerns eingebracht werden, z. B. mit einer Drehbank oder einer Fräse.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform des Magnetkerns 2 für den Hochspannungs-Transformators 1 der beschriebenen Art. Darin ist ein Teil der Länge des Kernes durch einen Abschnitt mit einem Permanentmagneten ersetzt, der eine bestimmte magnetische Vorspannung oder polarisierenden Fluß erzeugt. Fig. 5 zeigt die untere Kernhälfte 4 mit einem Permanentmagneten auf dem flachen Stirnende des Schenkels 42. Der Parmanentmagnet besteht aus zwei im Abstand von einander angeordneten Teilen 50, 51, zwischen denen der Leiter 10 der dritten Wicklung untergebracht werden kann. Derartige Magnete werden aus verschiedenen Grün­ den, insbesondere zur Beeinflussung der magnetischen Eingen­ schaften des Kernes verwendet. Zwischen den beiden Schenkeln 31 und 41 ist ebenfalls ein Luftspalt vorgesehen, um eine Ent­ magnetisierung zu verhindern. Eine derartige Anordnung eines Transformators ermöglicht z. B. die Verwendung desselben Kern­ typs in einem Zeilenablenk- und Hochspannungstransformator für einen Fernsehempfänger mit einer Bildröhre mit einem Ablenk­ winkel von 90°-110°. Bei einer derartigen Anwendungist eine Un­ symmetrie des Stromes in der Primärwicklung relativ gering, bedingt durch eine Energierückgewinnungsdiode und einen Rücklauf­ kondensator. In einem Schaltnetzteil, das mit Rücklaufgleich­ richtung, Hinlaufgleichrichtung oder einer kombinierten Rück­ lauf-Hinlauf-Gleichrichtung arbeitet, hat der Primärstrom eine wesentlich unsymmetrischere Form. Dann hat die Anwesenheit eines zur magnetischen Vorspannung dienenden Magneten einen wesentlich größeren Vorteil. Die magnetische Remanenz oder Restinduktion Br des magnetischen Materials wird so gewählt, daß ein magnetischer Fluß Br.Ac. entsteht, wobei Ac die Quer­ schnittsfläche des Permanentmagneten ist, der den durch den Primärengleichstrom erzeugten magnetischen Fluß kompensiert. Wenn somit gemäß Fig. 5, 8 die Querschnittsfläche Ac verringert wird, muß die Remanenz erhöht werden, um eine Sättigung zu ver­ meiden. In Fig. 5 ist einer der Schenkel 32 oder 42 derart ge­ kürzt, daß die Einfügung eines die magnetische Vorspannung erzeugenden Parmanentmagneten bestimmter Dicke zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen 34 und 44 (Fig. 1) möglich ist. Der Vorspannungs-Magnet wird in Fig. 5 durch zwei Teile 50, 51 gebildet. Dabei hat das größere Teil 50 einen Querschnitt B×E, gesehen senkrecht zu dem magnetischen Fluß durch den Kern. Diese Fläche ist so berechnet, daß die gewünschte Spannungs­ verringerung der Spannung an der Wicklung 9 erreicht wird. Der kleinere Teil 51 hat einen Querschnitt F×E. Dieser ist so be­ messen, daß sich zwischen den Teilen 50, 51 ein Abstand G er­ gibt, der dem Durchmesser d des isolierten Drahtes 10 ent­ spricht. Eine derartige Anordnung des Magnetkerns 2 bildet zwischen den Teilen 50, 51 einen Abstand G, der dem Durchmesser d des isolierten Drahtes 10 entspricht. Die Anordnung ermög­ licht einerseits einen als Vorspannung wirkenden Magnetfluß entsprechend dem Produkt aus der remanenten Induktion Br und der Querschnittsfläche der beiden Teile 50 und 51, d. h. E×(F+ B)×Br und andererseits eine Spannungsverringerung mit einem Verhältnis = (B+G/2)×E/D×E, d. h. (B+D/2)/D für eine dritte Wicklung, die den gesamten Umfang der Schenkel 32, 42 umgibt. Im Bezug auf die dritte Wicklung 9 wirkt der kleinere Teil 51 des Vorspannungsmagneten als magnetischer Nebenschluß.

Der Zwischenraum 52 zwischen den Teilen 51 bis 52 des Permanent­ magneten erhöht die Reluktanz des Magnetkerns 2, wenn die Perme­ abilität des magnetischen Materials nicht so hoch bemessen ist wie möglich, um die Verringerung der Querschnittsfläche zu kom­ pensieren.

Die magnetische Vorspannung gemäß Fig. 5 kann auch bei dem Kern nach Fig. 4 angewendet werden. Der Schenkel 32, der nicht mit der Vertiefung 45 versehen ist, wird kürzer ausgebildet, so daß ein einziger Permanentmagnet 53 eingeführt werden kann, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist.

Claims (5)

1. Hochspannungstransformator mit einem Kern (2) mit zwei mit ihren Stirnenden (33, 34, 43, 44) zusammengesetzten Kernhälften (3, 4), einer Primärwicklung (5), einer Sekundärwicklung (8) und einer dritten Wicklung (9) mit einer Windung für eine Niederspannung, insbesondere eine Röhren-Heizspannung, da­ durch gekennzeichnet, daß die dritte Wicklung (9) so aus­ gebildet ist, daß sie nur von einem Teil des magnetischen Flusses des Kerns (2) durchsetzt wird.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (9) nur einen Teil (B) des Querschnitts des Kerns (2) umfaßt.

3. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (10) der Wicklung in einer Vertiefung (45) liegt, die sich an einem Stirnende (44) von einer Stelle zu einer anderen Stelle des Umfangs erstreckt.

4. Transformator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des von der Wicklung (9) umfaßten Quer­ schnitts (B) zum Gesamtquerschnitt (F+G+B) des Kerns (2) gleich dem Faktor ist, um den die Spannung einer den ganzen Querschnitt des Kerns (2) umfassenden Wicklung verringert sein soll.

5. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei einander gegenüber liegenden Stirnenden (34, 44) Permanentmagnete (50, 51) liegen, die einen den Draht (10) aufnehmenden Zwischenraum bilden.