EP0254727A1

EP0254727A1 - Transformator, insbesondere für eine treiberstufe.

Info

Publication number: EP0254727A1
Application number: EP87900068A
Authority: EP
Inventors: Rudolf Ranzinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-12-31
Filing date: 1986-12-31
Publication date: 1988-02-03
Anticipated expiration: 2006-12-31
Also published as: WO1987004297A1; JPS63501909A; ATE61885T1; EP0254727B1; DE3678289D1

Description

MAGNETISCHE TREIBERSTUFE UND TRANSFORMATOR, INSBESONDERE

FÜR DIE TREIBERSTUFE

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Treiberstufe, ins¬ besondere für einen Leistungsschalttransistor mit einer Hilfsspannungsversorgung, einem Stromregler für den Basisstrom des Schalttransistors und einem Einschalt- Übersteuerungsglied. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Transformator in Mantelbauweise, mit einem Kern aus ferromagnetischem Material und zumindest einer Pri¬ mär- und Sekundärwicklung, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Transformators für die Trei- berstufe.

Transistoren sind und bleiben für absehbare Zeit die einzigen kostengünstigen und schnellen Schalter für An¬ wendungen bis ca. 1000 V, z.B. im Bereich der Regelung von elektrischen Arbeitsmaschinen und der Energietechnik. Nachteilig sind die niedrige Stromverstärkung und die hohe Empfindlichkeit der Transistoren gegen thermische Zerstörung bzw. Kurzschluß. Je höher die verlangten Schaltgeschwindigkeiten sind, um so höher wird der schal- tungstechnische Aufwand, wobei als weitere Schwierigkeit in der Leistungselektronik die Größe der zu schaltenden Ströme hinzukommt (z.B. bis zu 1000 V bei Schaltzeiten von unter 1 μ s) . Hinzu kommen Probleme von thermischen Verlusten aufgrund des Spannungsabfalls des Leistungs- schalters sowie aufgrund der Umschaltungen. Es muß ge¬ kühlt werden, und der Leistungsschalter kann auf der Stromkennlinie nicht voll ausgesteuert werden. Des wei¬ teren werden die Leistungsschalter häufig im Floating- Betrieb eingesetzt, und es muß vielfach eine Potential¬ trennung zwischen Signalpotential und dem Potential der Energieumformungsstrecke gewährleistet sein.

Es ist eine Reihe von Versuchen zur Überwindung dieser Probleme unternommen worden. Im folgenden wird der Aufbau einer in der DE-OS 32 15 009 beschriebenen Treiberstufe der eingangs genannten Art unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben:

Eine Hilfsspannungsversorgung 202 dient für die Zufuhr der erforderlichen Spannung, wobei die Sekundärseite eines Transformators mit nicht gezeigter nachgeschalteter Gleichrichterschaltung schematisch angedeutet ist. Mittels dieser Hilfsspannungsversorgung kann eine positive und eine negative Hilfsspannung +u. bzw. -U, mit gemeinsamem Bezugspotential GND an einem Anschluß auf der Sekundärseite des Transformators erzeugt werden. Dieser potentialfreien Gleichspannungsquelle wird der positive Basistrom für einen anzusteuernden Schalttransistor 210 entnommen.

Über die Hilfsspannungsversorgung werden auch Referenz¬ spannungen für Pegeldetektoren erzeugt, da sich eine bessere Stabilität ergibt.

Für die schnelle, verzögerungsarme Ein- und Ausschaltung des positiven Basisstroms dient als Schalter 204 z.B. ein VMOS, d.h. ein Bauelement mit hoher Stromverstärkung. Mittels eines solchen VMOS wurden z.B. bei 16 A Stromfluß Schaltzeiten von etwa 200 ns realisiert, wobei durch Parallelschaltung dieser VMOS eine schnelle Schaltung noch höherer Ströme möglich ist. Ein dem Schalter 204 nachgeschaltetes Einschaltübersteuerungglied 206, das durch eine Parallelschaltung eines Widerstands 207 und eines Kondensators 208 gebildet ist, bewirkt während der Einschaltphase über den Kondensator 208 eine Überhö¬ hung des Basisstroms, d.h. ein Auffüllen der Basiszone des Schalttransistors 210 mit Ladungsträgern. Während des stationären Zustands hingegen wird der Basisstrom durch das Einschaltübersteuerungsglied begrenzt. Ein mit dem Schalter 204 verbundener Stromregler 212 dient zum Regeln des positiven Basisstroms des Schalttransistors 210 im Bereich von dessen Kennlinie sowie zur Begrenzung des Basisstroms. Ein Schalter 216 für den negativen Basisstrom, der ebenfalls ein VMOS-Bauteil umfaßt, ist mit dem Anschluß für die negative Hilfsspannung -U, und über den Stromregler mit dem Kollektor des Schalttransistors verbunden. Dieser Schalter 216 dient zur potentialfreien Übertragung einer negativen Vorspannung zum Schalttransistor 210, wodurch der Schalttransistor bei höheren Kollektorspannungen betreibbar ist. Es wird ein Mindestpegel des negativen Ba¬ sisstroms bereitgestellt für lange Pausenzeiten in der Ansteuerung, so daß bei nachgeschalteten Leistungstransi¬ storen mit höheren Kollektorspannungswerten gearbeitet werden kann. Die negative Vorspannung muß dabei vor Anlie¬ gen der Kollektorspannung vorhanden sein und auch im Stö¬ rungsfall länger als die Kollektorspannung anliegen. Ferner gestattet der Schalter 216 ein rasches Ausräumen der Basiszone des Schalttransistors 210 im optimalen Aus¬ schaltpunkt.

Eine Steuersignalaufbereitung 214 ist zur Aufbereitung eines Steuereingangssignals (z.B. 1 mA) vorgesehen. Der Eingang der Steuersignalaufbereitung ist entweder poten¬ tialfrei über einen Transformator oder einen Optokoppler oder ohne Potentialtrennung über eine einschaltbare Kon¬ stantstromquelle aussteuerbar. In der Signalaufbereitung erfolgt z.B. eine Strom/Spannungsumsetzung des Eingangs¬ signals bei Ansteuerung mittels schaltbarer Konstantstrom¬ quelle.

Ein an die Hilfsspannungsversorgung 202 angeschlossener Logikprozessor 218 ist mit der Steuersignalaufbereitung 214, dem Schalter 204 für. den positiven Basisstrom, dem Schalter 216 für den negativen Basistrom und dem Kollektor des Schalttransistors 210 verbunden. Mittels des Logikpro¬ zessors 218 wird der Arbeitspunkt auf der Kollektor-Emitter- Restspannungskennlinie des Schalttransistors 210 dauernd überwacht. Bei der Überschreitung von Grenzwerten wird ein schneller Impuls zur Abschaltung gegeben. Der positive Basisstrom wird automatisch geregelt und der negative Basisstrom im optimalen Punkt auf der Arbeitkennlinie eingeschaltet. Des weiteren wird die Signallaufzeit zwi¬ schen dem Eingang der Signalaufbereitung 214 und der Basis des Sσhalttransistors 210 verkürzt.

Mit der bekannten Treiberstufe verbunden ist eine dem Schalttransistor 210 vorgeschaltete Laststromverzögerungs- einrichtung 220, die eine Drosselspule 222 und parallel geschaltet eine Diode 224 und einen Widerstand 226 umfaßt. Die Induktitivität der Drosselspule 222 bewirkt bis zum Erreichen der Sättigung eine Reduktion des Laststroms während der Einschaltphase. Über die parallele Serienschal¬ tung aus Widerstand 226 und Diode 224 wird die in der Induktivität gespeicherte Energie verzögert abgebaut, so daß der Kollektorspannung überlagerte Spannungsspitzen vermieden werden. Die oben beschriebene Treiberstufe ermög- licht eine schnelle, verzögerungsarme Ein- und Abschaltung des positiven Basisstroms bei sehr hohen Schaltgeschwindig- ten und -strömen sowie äußerst kurzer Zugriffszeit beim Ein- und Ausschalten des Schalttransistors. Dies wird insbesondere durch die Verwendung des sehr schnellen, direkt wirkenden Schalters erzielt, wodurch die bauteil¬ bedingte Verzögerungszeit des Stromreglers ohne technische Bedeutung ist, weil die Schaltgeschwindigkeit eine alleinige Funktion der Impulsspannung am Eingang des Stromreglers ist. Die Verzögerungszeit der Treiberstufe ist daher bestimm durch:

a) die Laufzeit der Steuersignaldaten bis zur Erarbeitung eines Steuerbefehls durch die Logik (ca. 100 ns), b) die Schaltzeit des Basistromschalters (z.B. bei Strömen von ca. 16 A im Bereich von 200 ns) und c) die Speicher- und Abfallzeit des Schalttransistors.

Die Verzögerungszeit der dem Schalttransistor vorgeschalte- te^ή Treiberstufe ist daher vernachlässigbar klein gegenüber der des Schalttransistors.

Mit der bekannten Treiberstufe können Basisströme bis -^"■ * 50 A und bis zu etwa 50 kHz direkt gesteuert werden. Die Beschränkung ergibt sich dabei nicht aus der Treiberstu¬ fe, sondern aus den derzeit verfügbaren Schalttransistoren. Die bekannte Treiberstufe besitzt ferner den Vorteil, daß nur ein Halbleiter an der Betriebsspannung anliegt, daß am Schalttransistor im leitenden Zustand eine sehr niedrige Restspannung anliegt und die Kollektor-Emitter-Spannungsfe¬ stigkeit sowie die EMP-Festigkeit besonders hoch sind.

Nachteilig bei der bekannten Treiberstufe ist die aufwendige Beschaltung. Es muß eine potentialfreie Gleichspannungsquelle vorgesehen werden, deren Gleichspannung durch das spezielle, zudem relativ teuere VMOS-Bauteil zerhackt werden muß, um die SteuerSpannung zu erhalten. Infolge des Widerstandes des VMOS muß eine recht hohe Basisspannung erzeugt werden, was wiederum eine aufwendigere Spannungserzeugung bedeutet und eine große Steuerleistung erforderlich macht. Hinzu kommen widerstandsbedingte (z.B. VMOS) Wärmeverluste, die nachteilig sind und ggf. Kühlmaßnahmen erfordern.

Eine weitere bekannte Lösung ist der Darlington-Transistor. Bei dieser Anordnung kann eine höhere Verstärkung er¬ zielt werden, wobei jedoch die Grenzfrequenz wesentlich niedriger als die des einzelnen Transistors ist. Dabei er¬ höht sich mit Vergrößerung der Verstärkung und damit der Kaskade die Laufzeit des Steuersignals, so daß die Anord- nung insbesondere bei großen Schaltströmen zu träge ist. Die Kollektor-Emitter-Restspannung (U ) ist größer als bei den vergleichbaren Hochvolttransistoren.

Ein weiterer Lösungsversuch bestand in der Verwendung von GTO-Thyristoren (sog. abschaltbare bzw. Gate-Turn-Off- Thyristoren) . Diese speziellen Thyristoren eignen sich jedoch nicht für den Einsatz bei hohen Strömen und hohen Frequenzen zugleich. Ähnliche Probleme ergeben sich bei Verwendung von VMOS und ähnlichen speziellen Bauteilen, z.B. einem SUPERFET genannten Bauteil der Fa. Supertex, Inc., das eine Darlington-Anordnung aus einem Power MOS- FET und einem Bipolartransistor darstellt, bei der die Kollektoren beider Bauteile miteinander und mit der Be¬ triebsspannung verbunden sind. Aus letzterem Grund ergibt sich eine Begrenzung der Spannung von 400 V, benötigt werden aber 800 bis 1000 V. Über die Sättigungsspannung der Kollektor-Emitter-Strecke (U„c_tiS,,at. ) werden keine An- gaben gemacht. Wie auch bei Verwendung eines Darlington- Transistors sind mindestens zwei Bauelemente parallel der hohen Betriebsspannung ausgesetzt.

Des weiteren ist eine Treiberstufe der Fa. Thomson-CSF bekannt geworden, die als TEA 1001 SP (bzw. UAA-Bauteile) bezeichne^wird (v^l. Halbleiterübersicht, 1983, Schalt- netzteil-Steuerungen, S. 37). Mittels dieser bekannten Treiberstufe kann der Leistungstransistor direkt basis¬ angesteuert werden, jedoch nur mit einem Strom von maxi¬ mal + 3 A. Es ist eine automatische Anpassung des Basis¬ stroms an den jeweiligen Kollektorström vorgesehen, sowie eine Überwachung der Sättigungsspannung des Leistungs¬ transistors. Die eingangs erwähnten Anforderungen können mit dieser bekannten Treiberstufe nicht erfüllt werden, insbesondere ist auch keine Potentialfreiheit gegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Treiber¬ stufe zu schaffen, die die verzögerungsarme Übertragung von Steuerimpulsen und Hilfsspannungen gestattet, wobei die zu versorgende Stufe Spannungssprünge von bis zu etwa 1000 V in Zeiten unter 1 ,us ausführen kann. Die Treiberstufe soll dabei raumsparend sein und ein günsti¬ ges Kosten/Nutzenverhältnis aufweisen.

Die Erfindung macht von einem Transformator Gebrauch. Transformatoren werden in der Stromversorgungstechnik für die Bildung der erforderlichen Versorgungsspannungen herangezogen, wobei gleichzeitig die galvanische Trennung vom Netz erreicht wird. Der Einsatz erfolgt dabei im

50 Hz-Frequenzbereich. Beim Transformatorbetrieb ergibt sich im zeitlichen Verlauf des Übertragungsverhaltens eine Schieflastigkeit. Während im Verlauf der positiven Halbwelle eine Belastung des Transformators vorliegt, läuft er während der negativen Halbwelle frei. Beim Gegentaktwandler kommt es im Verlauf der Zeit zu Zonen mit exponentiellem Verlauf des Verbraucherinnenwider¬ stands, was entsprechend einen Stromanstieg bedeutet. Von Unitrode ist eine Schaltung mit zwei Transformatoren bekannt, die jeweils während einer Halbwelle arbeiten, somit nie bei Primärspannung Null. Die Leistungsdaten sind 350 W, wobei der Steuerstrom bei 500-600 mA liegt.

Transformatoren werden herkömmlich mittels folgender For¬ mel dimensioniert:

n . 10⁸

U 4 • B • A • f (1)

wobei n Windungszahl,

U Spannung (V), B magnetische Flußdichte (10 T),

A Kernquerschnittsflache (cm ), f Frequenz (s ) und

4 Formkonstante für Rechteckspannu

Der Kernquerschnitt wird dabei unter dem Gesichtspunkt der zu übertragenden Leistung gewählt. Die Ubertragungs- leistung herkömmlicher Transformatoren, die die bekannten magnetischen Werkstoffe enthalten, nimmt mit steigender Frequenz ab, wie in Fig.2 veranschaulicht ist. Diese Leistungsabnahme, die der Energieübertragung mit steigen¬ der Frequenz Grenzen setzt, beruht auf einer zunehmenden Abweichung der tatsächlichen effektiven Übertragungs¬ leistung von der theoretischen Ubertragungsleistung der Transformatoren mit zunehmender Frequenz. Die Abweichungen sind dabei überaus groß. Wenn zum Beispiel aufgrund der Kernmasse und anderer Transformatordaten bei einer Uber- tragungsf equenz von 25 kHz eine theoretische Ubertra¬ gungsleistung von 4 kW berechnet wird, so ergibt sich bei einem praktischen Ausführungsbeispiel eines Transformators eine tatsächlich erreichbare Ubertragungsleistung von 1 kW. Sollen daher mit herkömmlichen Transformatoren be¬ stimmte Ubertragungsleistungen realisiert werden, so führt dies zu Leistungsge ichten (Leistung/Gewicht, W/kg), die nachteilig um Faktoren überhöht werden müssen. Dieses Problem wurde in einem Nachtrag zum Datenbuch "Ferrite 82/83", Ausgabe Juni 1983 der Firma Siemens AG im Abschnitt ETD-Kerne für die Leistungselektronik, S. 4, "Übertragbare Leistungen", Absatz 2 erwähnt: "Je nach An¬ forderung (Isolation, Bewicklung, Stromdichte usw) . und Kühlmöglichkeiten sind wesentlich höhere Leistungen, aber auch geringere zu übertragen". Nähere Hinweise zur Lösung wurden jedoch nicht gegeben.

Aus der Fernsehempfangstechnik sind Transformatoren be- kannt, die als Rückschlagwandler in Zeilenendstufen im Leistungsbereich von etwa 50 bis 100 W verwendet werden. Entsprechend dem Verwendungszweck ist der Transformator¬ kern mit einem Luftspalt von etwa 2 mm ausgebildet. Wäh¬ rend des Hinlaufs dienen die Zeilentransformatoren zur Stromtransformation und Ablenkung des Elektronenstrahls. Danach wird das Magnetfeld schlagartig abgebaut und wäh¬ rend des Rücklaufs mittels einer besonderen Wicklung, der Hochspannungswicklung, in eine Hochspannung umgesetzt, wobei zur Erzeugung eines möglichst hohen Rückschlagim- pulses eine hohe Speicherinduktivität angezielt wird. Die Spule, d.h. die Wicklung, ist bei diesen bekannten Trans¬ formatoren möglichst dicht beim Kern angeordnet, so daß einerseits der Umsetzungsgrad der elektrischen in magne¬ tische Energie gut ist und andererseits wenig Raum einge-

nommen wird. Aus letzterem Grunde ist als Hochspannungs¬ wicklung eine Folienwicklung eingesetzt worden, bei der das Wicklungsmaterial auf einen Kunststoffträger aufge¬ dampft worden ist. Diese Folie ermöglicht eine deutliche Raumersparnis bei großen Windungszahlen und setzt insbe¬ sondere Streukapazitäten herab. Infolge des geringen Leiterquerschnitts können derartige Folien jedoch nicht für große Ströme verwendet werden.

Seit langem sind für die Verwendung bei Tonfrequenz- Ausgangsübertragern und Modulationstransformatoren für Senderendstufen Transformatoren bekannt, bei denen die Primär- und Sekundärwicklungen verschachtelt, d.h. ineinander gewickelt sind (vgl. z.B. DE-PS 18 02 830). Die wechselweise gewickelten Primär- und Sekundärteil¬ wicklungen sind jeweils in Reihe geschaltet. Diese Trans¬ formatoren sind für die Widerstandstransformation und Anpassung entwickelt worden, wobei insbesondere der Fre¬ quenzgang bei Tonfrequenzübertragungen durch Endstufen verbessert werden sollte. D.h., wesentlich sind die

Linearübertragungseigenschaften im Übertragungsfrequenz¬ bereich, der weit unter der Netzfrequenz anfängt und bei ca. 20 kHz endet (Tonfrequenzbereich). Als Kernwerkstoff werden bei diesen Transformatoren lamellierte Dynamo- bleche verwendet. In diesem Frequenzbereich spielen gyro- magnetische Frequenzen noch keine Rolle.

Es sind ferner Schweißtransformatoren bekannt geworden (vgl. DE-OS 29 37 711), bei denen die Primär- und Sekun- darspulen getrennt, mit Abstand voneinander auf einem gemeinsamen magnetischen Steg angeordnet sind. Als Kern¬ material ist bei diesen Transformatoren einfaches Trans¬ formatorenblech verwendet worden. Die Schweißtransforma¬ toren werden bei einer Arbeitsfrequenz von 50 Hz betrie- ben. Durch Auseinanderziehen der Wickelkammern für Primär- und Sekundärspulen kann bei diesen Schweißtrans¬ formatoren der Kurzschlußstrom beim Schweißen ohne wei¬ tere Maßnahmen auf das 2,5fache des Normalwerts begrenzt werden. Hierbei wird eine Verhinderung der Energie- Übertragung über die Wicklungsanordnung zur Strombe¬ grenzung ausgenutzt. Eine Begründung des Effekts ist nicht gegeben worden.

Durch die Erfindung wurde ein Transformator mit verbes- serten Übertragungseigenschaften für den mittelfrequenten Bereich (oberhalb des Hörbereichs bis in den 100 kHz- Bereich)geschaffen und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Transformators angegeben. Der zu ent¬ wickelnde Transformator sollte dabei insbesondere zur Übertragung mit Arbeitsfrequenzen im Bereich von etwa 20 bis 100 kHz und Anstiegszeiten von ca. 100 bis 200 ns (entsprechend einem Übertragungsbereich von 5 bis 10 MHz für sinusförmige WechselSpannungen) und zur Übertragung von Impulsen hoher Leistung geeignet sein und eine gal- vanische Trennung zwischen -zwei Stromkreisen gewährlei¬ sten und sowohl eine Spannungstransformation als auch eine Stromtransformation ermöglichen. Ferner sollte der Transformator ein möglichst günstiges Leistungsgewicht und möglichst geringe -Abmessungen aufweisen sowie kosten- günstig und einfach herstellbar sein.

Es wurden Versuche in bezug auf das zeitliche Übertra¬ gungsverhalten von Transformatoren durchgeführt, insbesondere unter dem Aspekt der Leistungsübertragung über den magnetischen Pfad. Hierbei wurde die in Fig. 3 dargestellte Meßanordnung verwendet. Es wurde ein Kern 2 in E-E-Bauform ausgewählt, der geschliffene Endflächen aufwies, um den Luftspalt 4 möglichst klein zu halten. Der Kern wies schmale, hohe Wickelkammern 6 auf. Eine Primärspule 8 und eine Sekundärspule 10 wurden räumlich voneinander getrennt auf demselben Innensteg 12 des Kerns angeordnet. Für die Durchführung von Versuchen mit der in Fig.3 dar¬ gestellten Meßanordnung wurde eine in Fig. 4 veranschau¬ lichte Meßschaltung verwendet. Die Primärspule 8 wurde mit ihren Anschlüssen 14, 16 an einen Spannungsgenerator 26 angeschlossen. Der Generator 26 diente zur Erzeugung von Ansteuerungsimpulsen mit großer Flankensteilheit, deren Anstiegs- und Abfallzeiten zwischen etwa 200 und 500 ns lagen und bei denen es sich z.B. um Sinus- oder Rechteck¬ impulse handelte. Die Ausgangsspannung des Generators 26 war variabel, sein Innen iderstand R. klein (R. > 0) .

Die Wicklung der Sekundärspule 10 war durch einen rein ohmschen Widerstand 30 abgeschlossen. Ein durch einen Widerstand 24 abgeschlossener schneller Stro wandler 22 diente zur potentialfreien Messung des Primärstroms i . Die Primärspannung U.. und die Sekundärspannung U_ wur¬ den gemessen. Zur Darstellung der Meßgrößen wurde ein schnelles Mehrkanal-Oszilloskop 28 verwendet.

Der untersuchte Transformator wurde auf der dynamischen Magnetisierungskurve bis zum Sättigungsbereich unter Erhöhung der Generatorausgangsleistung durchgesteuert. Hierbei wurde unter Berücksichtigung des Hystereseverhal¬ tens des Kernmaterials (B-H-Charakteristik) keine Strom¬ steuerung zugelassen, die nur zu einer Erwärmung der Wick- lung führen würde. Es wurde bei der Aussteuerung darauf ge¬ achtet, daß der Anteil der direkten Kopplung über die Wicklung in bezug auf die Energieübertragung über den mag¬ netischen Pfad sehr klein war.

Die Meßgrößen wurden insbesondere in bezug auf das zeit¬ liche Verhalten untersucht. Um eine möglichst schnelle Impulsübertragung, z.B. für Frequenzen bis 100 kHz und mehr (derzeit ergibt sich durch die verwendbaren Leistungstransistoren die Grenze von etwa 100 kHz) zu er- möglichen, war ein magnetischer Werkstoff, z.B. Fe-Ni-Bleche oder FeMn-Ferrite ausgewählt worden. Der Generator wurde des weiteren vorzugsweise mit Sinus- oder Rechteckimpulsen betrieben, um ein möglichst einfaches Verhalten im Bereich der Impulsanstiegsflanken und -abfallflanken zu erhalten. Gegenstand bei den gesamten Untersuchungen war, daß die für die Ummagnetisierung des Kernmaterials benötigte Zeit zur Periodendauer der Arbeitsfrequenz in einem nicht mehr zu vernachlässigenden Verhältnis steht.

Fig.5 zeigt den zeitlichen Verlauf (a) der Primärspan¬ nung, (b) des Primärstroms und (c) der Sekundärspannung bei den Versuchsmessungen. Die Darstellung der Fig. 5 (a) ist in Fig. 6 vergrößert wiedergegeben, wobei die Darstel- lung der Anstiegs- und Abfallflanken zur Veranschaulichung flacher wiedergegeben ist, als dies den tatsächlichen Gegebenheiten entspricht. Gemäß der zeitlich auseinander¬ gezogenen Darstellung der Fig. 6 setzt sich ein Primär- spannungsimpuls (U,), zeitlich gesehen, für eine Halb- periodendauer t aus drei Zeitbereichen zusammen, näm¬ lich der Anstiegszeit t,, der Impulsdauer t_ und der Abfallzeit t,. Wie Fig. 5 (b) und (c) veranschaulichen, sind die durch die Ubertragungseigenschaften des Transfor¬ mators bestimmten Impulse des Primärstroms i und der

P Sekundärspannung U_ in ihrem Zeitverhalten von dem Zeit¬ verhalten der Ansteuerungsi pulse U, verschieden. Die Impulsdauern sind verkürzt. Das zeitliche Verhalten wäh¬ rend der Anstiegszeit t. und der Abfallzeit t ist lediglich durch die Schaltgeschwindigkeiten etc. nachge- schalteter Bauelemente bestimmt. Während der Zeit t* er¬ folgt keine quantitative Energieübertragung zur Sekundär¬ wicklung. Die Sekundärspannung wurde bei Stromfluß in der Primärwicklung impulsbreitenmoduliert, und es ergab sich, daß während der Zeit t* eine wesentliche Flußänderung im . 5

magnetischen Kreis stattfindet. Trotz der Flußänderung tritt wegen Effekten im Kernmaterial, wie z.B. Bloch- Wand-Effekten etc., keine Sekundärspannung auf. Die Zeit t* steigt mit der Aussteuerung auf der dynamischen Hyste- resekurve und ist abhängig vom magnetischen Werkstoff. Das Impulsdach des Primärstromsignals ist zur Vereinfachung in Fig. 5 horizontal dargestellt. In Wirklichkeit ist es deutlich ansteigend und weist z.B. vor dem Anstieg vom Dach der negativen Halbwelle auf die positive Halbwelle eine negative Impulsspitze auf. Infolgedessen können die auf die Maximalbelastung auszulegenden Bauteile nur in einem Teil ihres Betriebsbereichs effektiv eingesetzt wer¬ den. Des weiteren wurde im Mittelsteg des magnetischen Kerns zwischen der Primär- und Sekundärwicklung eine Er- wärmung festgestellt, die mit Relaxation erklärt wurde.

Die Versuchsergebnisse wurden auf Vorgänge im magnetischen Kernmaterial zurückgeführt. Wie bereits angedeutet wurde, erfolgt die Energieumformung bei einem Transformator auf zwei Wegen: a) auf dem magnetischen Pfad, über den die elektrische Energie in elektromagnetische, magnetische, elektro¬ magnetische und wiederum in elektrische Energie umge¬ wandelt wird (bei den Versuchen bevorzugter Pfad) und b) auf dem Pfad der direkten Kopplung über die Spulen, bei denen die elektrische Energie in elektromagne¬ tische Energie und zurück in elektrische Energie um¬ gewandelt wird.

Bei den Versuchen wurde der Pfad über den magnetischen Werkstoff untersucht. Die Zeitdauert*, die größer als die Anstiegszeit des Primärspannungsimpulses ist, stellt eine Totzeit dar, während der keine effektive Energieübertragung an die Sekundärwicklung erfolgen kann, da im Kernmaterial mi¬ kroskopische dynamische Effekte stattfinden, die sich mit wachsender Frequenz zunehmend bemerkbar machen. Diese Effekte treten je nach Werkstoff (z.B. Fe-, FeNi-Bleche, weichmagnetische Ferrite unterschiedlichen Leitfähig¬ keitstyps, ...) und unterschiedlicher Verarbeitung (unter- schiedlich dicke Bleche ...) verschieden stark auf. Es handelt sich dabei um Verschiebungsprσzesse bei den Bloch- schen Wänden, einen gyromagnetischen Effekt, Wirbelstrom¬ verluste, Fluktuations- bzw. Jordan-Nachwirkung und Dif¬ fusionsnachwirkung (vgl. W.v.Münch, Werkstoffe der Elek- trotechnik, 4. Auflage, S. 16, 1983, Teubner-Verlag) . Die drei letzten Effekte sind im wesentlichen Werkstoffbedingt.

Die Verhältnisse im Transformator werden im folgenden in Vektor-Darstellung erläutert.

Die Induktanz X_ des stofferfüllten magnetischen Kreises läßt sich wie folgt darstellen:

^XL ^{= X}L0 ^{+ X}L^{(t) (2)} - wobei X _ ein konstanter Term (Blindwiderstand einer idealen Induktivität; Luftspulenanteil) und X (t) ein zeitabhängiger Term für den Flußaufbau ist. Der Wider¬ stand R des stofferfüllten magnetischen Kreises setzt sich aus einem konstanten Term R_ und einem zeitabhängigen Term R(t) zusammen, der durch Relaxationserscheinungen bedingt ist:

R + R(t) (3)

Die Impedanz Z ist daher:

Z = jX_L + R (4)

Dies ist in Fig. 7 veranschaulicht.

Die auf die Sekundärseite wirksame Gesamtimpedanz Z (t) setzt sich dabei aus einem Anteil aus der direkten Kopp- lung zwischen der Primär- und der Sekundärspule (Z„) und aus der Impedanz des magnetischen Kernmaterials bzw. der Kopplung darüber (Z_M), d.h. aus einem wicklungsabhängigen und einem materialabhängigen Term zusammen. Der material- abhängige Term Z_M läßt sich darstellen wie folgt:

^ZM = ^^XLM ^{+ R}M ⁽⁵⁾

wobei R_M einen Ersatzwiderstand für das Verhalten des mag- netischen Kerns darstellt. Bei niedrigen Frequenzen geht die Impedanz Z„ über in:

^ZM ^β ^^XL0M ^{+ R}0M-⁽^^XC0M^{) (6)}

Gleichung (6) ist die klassiche ImpedanzdarStellung, wobei R__M das normale Leitungsverhalten des Kerns beschreibt und X_rθM das kapazitive Verhalten der Kernwerkstoffe be¬ schreibt. Den wicklungsabhängigen Term in der Transforma¬ toranordnung beschreibt jedoch die Gleichung:

^ZW - W ⁺ ^^XLO ^" ^^XC0W ⁽⁷⁾

wobei JX_L0W konstant ist, wobei X_cow die Kopplungskapazität zwischen den Wicklungen beschreibt; J(^χ _L0W ~ ^xrnw^ ⁼ ^^X _W*

Die Gesamtimpedanz Z -(t) läßt sich durch eine wicklungs¬ abhängigen, im wesentlichen konstanten Term und einen zeit¬ abhängigen, im wesentlichen materialabhängigen Term dar¬ stellen:

ges z_w + z_M(t) (8)

Dies ist in Fig. 8 veranschaulicht. Während der Vektor Z-. nach Betrag und Richtung konstant bleibt,ändert sich der Vektor Z_M zeitabhängig stark und kann ein Vielfaches von

Z annehmen. Die Vorgänge im magnetischen Kernmater ial w erden auch durch folgende Gleichung iedergegeben :

B = _/u_Q/u ( t ) H ( 9 )

w obei

B die magnetische Flußdichte,

,u die Permeabilitätskonstante, /^uo ,u(t) die relative zeitabhängige Permeabilität und ^{H d}ie magnetische Feldstärke ist.

Die Permeabilität läßt sich dabei wie folgt darstellen:

/U(t) = /U'(t) - j_/U"(t) (10)

wobei U', ,u" konstante Anteile enthalten können. Die Phasenverschiebung

ist zeitabhängig und gibt die Momentanwerte der Phasenver¬ schiebung zwischen der effektiven Permeabilität und der reellen Permeabilität ,u* an. Die Zusammenhänge sind in Fig. 9 dargestellt. Die zeitabhängigen Vorgänge im Kernmaterial lassen sich auch so interpretieren, daß der Kernquerschnitt des magnetischen Materials sich nicht mehr als eine Konstante verhält, d.h. der für die Energieüber¬ tragung maßgebliche Anteil A des Kernquerschnitts A ist bei jeweils gleichem Kernmaterial ab dem Beginn eines Im¬ pulses eine Funktion der Zeit: t A_e = A J f(H,t)dt (12)

wobei f(H,t) eine Funktion von ,u' und ,u" ist. Diese Funktion ist sehr kompliziert, so daß die Vektorveran- schaulichung übersichtlicher erscheint.

Derzeit ist offensichtlich kein magnetischer Werkstoff auf dem Markt, mit dem Umpolarisationen im Molekularbereich zeitlich in etwa 500 ns im gesamten linearen Bereich der Hysteresekurve möglich sind. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, zur Behebung der nachteiligen Wirkungen dieser zeitabhängigen Effekte einen Teil der Energieübertragung nicht über das Kernmaterial stattfinden zu lassen, d.h. die zeitabhängigen Effekte zu umgehen. Durch die Messungen am vorgenannten Transformator ergab sich die Konstruktion des erfindungsgemäßen Transformators.

Es wurde aus den obigen Erkenntnissen ein Transformator in Mantelbauweise entwickelt, der einen möglichst spaltfreien Kern aus ferromagnetischem Material und zumindest eine Primär- und Sekundärwicklung aufweist. Mindestens eine Wicklung ist als Folienwicklung ausgebildet, und die Primär- und Sekundärwicklungen sind mit einer dazwischen liegenden Isolierschicht als Zylinderwicklungen aufein¬ ander gewickelt. Eine stromführende Teilwicklung der Primärwicklung ist jeweils einer stromführenden Teilwick¬ lung der Sekundärwicklung benachbart.

Bei diesem erfindungsgemäßen Transformator erfolgt die Leistungsübertragung vorteilhaft über beide Pfade, d.h. über die direkte Kopplung der Wicklungen und über den mag¬ netischen Pfad durch den Kernwerkstoff. Eine Ersatzschal- tung für die Transformatorfunktion ist eine Parallelschal¬ tung zweier Widerstände Z_τ W_τ und Z,.(t), von denen sich einer (Z_M) mit der Zeit ändert. Entsprechend ist die Energieübertragung, d.h. der Energiedurchsatz, auf beiden parallelen Pfaden zeitabhängig. Die Ersatzschaltung ist in Fig.10 veranschaulicht. Auf dem ersten Pfad mit direkter Kopplung über die Wick¬ lungen (Z_w) erfolgt die Energieübertragung elektrisch, dann elektromagnetisch und wieder elektrisch. Dieser Pfad steht ohne Zeitverzögerung voll zur Verfügung. Zur Begün- stigung der Energieübertragung über diesen Pfad ist die aktive Oberflä'che einer Wicklung vergrößert worden, indem diese Wicklung als Folienwicklung ausgebildet ist. Des weiteren ist das Ausmaß der Energieübertragung durch die räumliche Zuordnung der Wicklungen zueinander erhöht wor- den, deren Nähe vorteilhaft für den Wirkungsgrad der elek¬ tromagnetischen Energieübertragung ist. Diesem Zweck dient auch die benachbarte Anordnung von stromführenden Teil¬ wicklungen der Primär- und Sekundärwicklungen.

Die Energieübertragung über den zweiten Pfad, d.h. über den magnetischen Werkstoff, erfolgt zeitverzögert aufgrund der Kornorientierungen, wobei der Stromanstieg dl/dt wäh¬ rend der Umorientierungen, d.h. während der Zeit t*, die etwa 65 % der Halbperiodendauer für Taktfrequenzen bis etwa 100 kHz beträgt, komplex ist. Der zeitlineare Strom¬ anstieg der Induktivität bleibt dabei nach Anlegen einer Sprungfunktion erhalten. Ferner werden parasitäre Indukti¬ vitäten bed mpft und die Schwingneigung unterdrückt.

Für die magnetischen Kraftlinien wird durch den magneti¬ schen Kern ein bevorzugter Pfad außerhalb des Spulen- wickelbereichs bereitgestellt. Aufgrund der langsamen Kornorientierung erfolgt bei hohen Frequenzen in der Sekundärspule keine Rückbildung der Flußänderung in eine Spannung. Dies bedeutet, daß keine Induktion mehr statt¬ findet; die Phasendifferenz steigt mit zunehmender Takt¬ frequenz, und die Sekundärspannung bleibt sozusagen ste¬ hen. Die Vorgänge im Kern ähneln den Vorgängen im durchge¬ schalteten Transistor. Insgesamt erfolgt die Energieüber- tragung über den zweiten Pfad elektrisch, elektromagne¬ tisch, magnetisch, elektromagnetisch und wieder elek¬ trisch. Die Dimensionierung des erfindungsgemäßen Trans¬ formators kann auf herkömmliche Weise gemäß Gleichung (1) erfolgen. Die Festlegung der Induktionsänderungen Δ auf der Hysteresekurve und die Dachschräge der Impulse des Magnetisierungsstroms werden ebenfalls in üblicher Weise festgelegt. Mit dem erfindungsgemäßen Transformator können hohe Leistungen (mehrere kW) und Ströme von über 100 A übertragen werden.

Durch die Kombination der beiden Energieübertragungspfade ist das Ubertragungsverhalten des erfindungsgemäßen Trans¬ formators verbessert. Die Impulsdauer ist verlängert, so daß die effektive Energieübertragungsdauer größer ist. Die Umschaltzeit von Umax auf Umin und umgekehrt ist stark, bis in den Bereich von weniger als 1 ,us, verkürzt. Dies beruht darauf, daß die Energieübertragung zunächst über die Wicklungskopplung (Pfad 1) und dann auch über die mag- netische Kopplung (Pfad 2) erfolgt. Ein zeitlicher Versatz der Ausgangssignale des erfindungsgemäßen Transformators ' beruht im wesentlichen nur noch auf den Umschaltzeiten von in der zugehörigen Schaltung verwendeten Transistoren etc.. Der erfindungsgemäße Transformator ermöglicht daher Kurvenformen mit extrem steilen Flanken bis in den ns-Bereich. Das Impulsdach der Ausgangssignale des Trans¬ formators ist sehr flach, im wesentlichen horizontal. Die noch vorhandene Dachschräge beruht auf dem Magnetisie¬ rungsblindstrom. Je geringer sie ist, um so besser ist der Transformator. Durch das Ausbleiben von Strom- bzw. Span¬ nungsspitzen im Transformatorausgangssignal sind die Bau¬ teile der zugehörigen Schaltung besser ausnutzbar, da sie auf die maximale Belastung ausgelegt werden müssen. Vorteilhaft beim erfindungsgemäßen Transformator ist auch, daß infolge seines besseren Energieübertragungsvermögens sein Leistungsgewicht gegenüber herkömmlichen Transforma¬ toren wesentlich verbessert ist. Des weiteren kommt es beim Betrieb des erfindungsgemäßen Transformators zu einer weitaus geringeren Erwärmung, z.B. wurden trotz geringerer Leistungsbeaufschlagung eines herkömmlichen Transformators (Abgabeleistung 0,5 kW) bei diesem 65°C, bei dem erfin¬ dungsgemäßen Transformator (2,6 kW) hingegen nur 32°C Tem- peratur am Kern gemessen. Eine Kühlung ist daher nicht er¬ forderlich.

Der Kern des erfindungsgemäßen Transformators wird mög¬ lichst spaltfrei ausgebildet, wobei unter Spalten auch die mit Klebstoff ausgefüllten Hohlräume verstanden werden und nur noch zwangsläufig fertigungsbedingte Größen hinge¬ nommen werden. Dies erfolgt zur Erhöhung der Permeabilität U. Es wird bevorzugt ein magnetisches Kernmaterial ver¬ wendet, dessen Hysteresekurve Z-Form aufweist. Günstig ist eine steile B-H-Kurve für den erfindungsgemäßen Gegen- takt-Durchflußwandle . Bei einem vorteilhaften Ausfüh¬ rungsbeispiel der Erfindung ist das Kernmaterial Ferrit, das sehr kostengünstig ist.

Als vorteilhaft hat sich im Einsatz auch ein Kern vom Wickelbandkern-Typ erwiesen, der für einen größeren Um¬ gebungstemperaturbereich einsetzbar ist und höheren Anfor¬ derungen an die Materialeigenschaften genügt. Die Curie- Temperatur und die Induktion sind bei diesem Kerntyp größer, die magnetische Feldstärke H kleiner. Eine vor¬ teilhafte Bauform für den Kern ist die E-E-Bauform. Beson¬ ders günstig ist die Verwendung von vier U-Teilen, die ein noch größeres Wickelfenster ergibt. Die Auswahl der Bau¬ formen und Materialien des magnetischen Kerns sowie die technische Durchführung bzw. Realisierung des magnetischen Pfades sind ausschlaggebend für die spätere Verwendung des Transformators.

Vorteilhaft ist beim erfindungsgemäßen Transformator stets eine Sekundärteilwicklung zwischen einer Primärteilwick¬ lung und dem Kernmittelsteg angeordnet, wodurch die Wick¬ lungskopplung begünstigt ist. Zweckmäßig ist dabei eine folienförmige Ausbildung der Isolierung zwischen benach- barten Wicklungen, wodurch erreicht werden kann, daß die Primär- und Sekundärwicklungen dicht beieinander angeord¬ net sind. Dies verbessert wiederum die Kopplung.

Zur Verbesserung der Wicklungskopplung ist bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung zwischen der Primärwicklung und dem Außensteg des Kerns eine Sekundär- (teil)wicklung angeordnet. Dabei ist im Fall einer Primär- und einer Sekundärwicklung die Sekundärwicklung vorteilhaft in zwei Teilwicklungen aufgeteilt, die die Primärwicklung umgeben. Hierdurch wird ein symmetrischer Feldlinienverlauf des elektromagnetischen Feldes im Wick¬ lungsbereich erzielt, der für die kernfreie Übertragung bevorzugt ist. Besonders günstig ist, wenn der Wicklungs¬ abstand vom Mittelsteg etwa gleich dem Wicklungsabstand vom Außensteg des Kerns ist. Durch diese Wicklungsanord¬ nung wird erreicht, daß die maximale Kraftliniendichte im Bereich der Wicklung und nicht im Kernmaterial vorliegt.

Eine besonders einfache Ausbildung des Transformators mit nur einer Primär- und nur einer Sekundärwicklung ergibt sich, wenn die Primärwicklung auf die Sekundärwicklung gewickelt ist. Eine besonders sichere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Transformators ergibt sich bei Anordnung einer beidseitig isolierten einlagigen Metallfolie mit herausgeführtem An¬ schluß, jeweils zwischen Primär- und Sekundärwicklung, wobei der Anschluß mit dem Schutzleiter verbunden ist. Hierdurch sind der Berührungsschutz gegen Netzpotential und die Funkstörsicherheit verbessert.

In bestimmten Anwendungsfällen ist es erwünscht, die Ener- gieübertragung zwischen Sekundär- und Primärwicklung ge¬ steuert zu unterbrechen, d.h. die Energie muß getastet, rasch abgeschaltet werden. In diesem Fall wird zweckmäßig eine möglichst einlagige extern kurzschließbare Wicklung (vorzugsweise aus dünnen Drähten) als Hilfswicklung zwischen der Primär- und Sekundärwicklung angeordnet. Durch die möglichst dünne Ausbildung der Kurzschlußwick¬ lung wird erreicht, daß der Abstand zwischen benachbarten Wicklungen gering bleibt, um den Koppelfaktor nicht un¬ nötig zu beeinträchtigen. Bei Verwendungen von zwei Kurz- schlußwicklungen K X, I t_. sieht die Wicklungsanordnung bei jeweils zwei Primär- und Sekundärwicklungen P, - und ^Sl 2 ^Z,B* folgendermaßen aus: S,, K,, P^ _r P₂, K„, S ₂ (von innen nach außen, ohne Isolierung).

In vielen Fällen kommt es bei herkömmlichen Transforma¬ toren zu einer Verfälschung des zeitlichen Verlaufs des Sekundärspannungssignals bezüglich des Primärspannungs- signals. Auch bei einem gegen Null gehenden Generator¬ innenwiderstand treten sich zeitlich ändernde Rückwir- kungen des magnetischen Kerns auf die Sekundärwicklung auf. Der Betrieb von Transformatoren ist daher insbeson¬ dere bei impulsbreitenmoduliertem Betrieb problematisch, wenn nicht unmöglich. Diese Schwierigkeiten werden sowohl beim neuartigen Transformator als auch bei herkömmlichen Transformatoren erfindungsgemäß durch Verwendung von kurz- schließbaren Wicklungen mit externer Beschaltung behoben bzw. verringert. Letztere ermöglicht es auch, die Über¬ tragungseigenschaften des Transformators zu ändern,und er¬ möglicht insbesondere eine naturgetreue, potentialfreie Übertragung von Leistungsimpulsen. Dabei hat sich sogar ohne externe Beschaltung eine Verbesserung des Übertragungs¬ verhaltens herausgestellt.

Die Anordnung der kurzschließbaren Wicklung kann dabei auch neben der Primärwicklung sein, wenn diese als Drahtwicklung ausgebildet ist und sich nicht über die gesamte Wickelbreite erstreckt, so daß die zugeordnete äußere Sekundär(teil)Wick¬ lung auf beide Wicklungen gemeinsam aufgewickelt wird. Die zugehörige Schaltung ist dabei derart, daß die symmetrische Primärwicklung des Transformators weich, über Dioden und über zwei im Gegentakt arbeitende Schalter wechselseitig an eine positive Versorgungsspannung bei einer Taktfrequenz von etwa 20 bis 100 kHz angeschlossen (bei Stromfluß I mit gegen Null gehendem Innenwiderstand R. und bei 1 = 0 sowie auch bei V—-^O mit Rι ■)0) und die kurzschließbare Wick¬ lung (Hilfswicklung) über einen Transistor geschaltet wird. Die zusätzliche Wicklung wird kurzgeschlossen, wenn beide Schalter offen sind, d.h. wenn keine der beiden Primärteil¬ wicklungen stromdurσhflossen ist. Durch elektrische Kopp- lung mit den Transformatorwicklungen und Reaktion in den übrigen Wicklungen, insbesondere die große Nähe der Hilfs¬ wicklung zur Sekundärwicklung, wird der gezielte Kurzschluß in der Sekundärwicklung stärker wirksam als der Einfluß des Kernmaterials. Die elektromagnetischen Vorgänge in der Wick- lung werden auf diese Weise von denen im magnetischen Kernma¬ terial abgekoppelt, wenn eine Energiezufuhr von außen nicht vorliegt. Magnetische Rück- und Wechselwirkungen sind auf diese Weise abgeblockt. Die Rückwirkung der Spuleninduktivi¬ tät ist stark herabgesetzt. Daher findet während dieser Zeit durch das sich ändernde Magnetfeld keine Induktion in der Wicklung statt. Hierdurch wird erreicht, daß die Sekundärspannung ü auf Null geht, so daß das Ausgangs- Signal des Transformators in der Impulsform im wesentli¬ chen eine 1:1-Abbildung des Eingangssignals darstellt. Es können bei 10 ^us langen Vollperiodendauern der Primär- spannungsimpulse z.B. Sekundärspannungsimpulse mit Flan¬ kensteilheiten von nur etwa 100 ns (Anstiegszeit) und 200 ns (Abfallzeit) erzielt werden. Die Verfälschung im Zeitverhalten läßt sich so im Bereich von 25 kHz auf Werte unter 1 % herabsetzen. Die beschriebene Abkopplung ist alternativ zu einer Abkopplung durch externe Beschal¬ tung von Primär- und Sekundärwicklung. Die Betriebseigen¬ schaften des Transformators sind somit stark verbessert, insbesondere ändern sich die Eigenschaften zwischen Leer- lauf- und Lastbetrieb nicht mehr wesentlich. Sie ändern sich auch kaum mit Änderung des Tastverhältnisses.

Die erfindungsgemäße Verwendung einer kurzschließbaren Hilfswicklung ermöglicht eine vorteilhafte Ansteuerung von Transistoren im Floating-Betrieb. Des weiteren zweck¬ mäßig ist die Verwendung bei der potentialfreien Übertra¬ gung schneller Spannungsanstiege.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungs¬ gemäßen Transformators ist zwischen dem Mittelsteg und der Wicklung ein zweckmäßig rohrförmig ausgebildeter Wickel^¬ körper aus Isoliermaterial und zwischen der Wicklung und dem Außenkörper ein Isolierkörper angeordnet. Mittels die- ser Isolierkörper werden Koronaeffekte verhindert und ein Isolierschutz sowie ein konstantes Dielektrikum geschaffen. Der Wickelkörper dient dabei nicht nur zur Halterung der Wicklung, sondern auch als Abstandkörper, um einen aus¬ reichenden Abstand der Wicklung vom Mittelsteg zu gewähr- leisten. Hierdurch wird das Arbeiten des Transformators gut reproduzierbar. Zwischen den Wicklungen werden vorteilhaft Isolierfolien angeordnet. Hierdurch wird ebenfalls erreicht, daß der Ab¬ stand zwischen Sekundär- und Primärwicklung möglichst gering ist, wodurch die Kopplung verbessert ist. Zweck- mäßig ist die folienförmige Isolierung breiter als die Folienwicklung. Als geeignet hat sich z.B. ein überstand von etwa 1 mm erwiesen. Bei zu geringem überstand kommt es wegen der erheblichen Ladungsverschiebungen bei den hohen Arbeitsfrequenzen (MHz) zu Überschlägen und Ionisierungen im Randbereich, insbesondere an scharfen Kanten der Folie etc., und es besteht die Gefahr von z.B. Lagenkurzschlüs¬ sen. Ist der überstand jedoch zu groß, so ist die wirksame Kopplungsfläche nachteilig klein. Für das Material der folienförmigen Isolierung wird vorteilhaft Kunststoff ver- wendet. Als günstig hat sich das Material Hostaphan (PETP) erwiesen, das eine sehr kleine Dielektrizitätskonstante hat.

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der erfindungsge- mäßen Folienwicklung bei höheren Stromdichten und einer geringen Windungszahl. Durch die Folienfläche ist der Kopplungswirkungsgrad ini bezug auf bekannte Transforma¬ toren wesentlich erhöht. Aufgrund der großen Oberfläche kann mit einem größeren aktiven, d.h. an der Energieum- setzung beteiligten Leiterquerschnitt (Skin-Effekt) mit Stromdichten von 15 A/mm und mehr gearbeitet werden. D.h., obwohl der Querschnitt an sich kleiner als bei her¬ kömmlichen Wicklungen ist, ist der Wirkquerschnitt größer. Infolge der größeren aktiven Leitermasse wird das Leiter- material trotz höherer Stromdichten weniger stark erwärmt, da die Wärme besser aus dem Wickelraum abgeleitet werden kann. Außerdem ist der dynamische Innenwiderstand der Folienwicklung sehr klein. Durch die Folienwicklung verlaufen die Kraftlinien des magnetischen Feldes hindurch, so daß eine große Induk¬ tionsfläche zur Verfügung steht. Es kommt auch nicht mehr zu einer Divergenz der Kraftlinien an HF-Litzen und der- gleichen, sondern vielmehr verlaufen die Kraftlinien des Feldes durch die Wickelfolie hindurch.

Bei herkömmlichen Transformatoren mit vergleichbaren Aus-

₂ gangsströ en müssen die Stromdichten auf etwa 1,5 A/mm herabgesetzt werden, was eine zusätzliche Gewichtserhöhung und eine Vergrößerung des Wickelraums bedeutet, so daß ein größerer Kerntyp ausgewählt werden muß. Beim erfindungs¬ gemäßen Transformator hingegen ist weniger Wicklungs¬ material erforderlich.

Es wird auch weniger magnetischer Werkstoff benötigt und daher ist die Masse des erfindungsgemäßen Transformators gegenüber herkömmlichen Transformatoren wesentlich herab¬ gesetzt, was eine Gewichts- und Materialkosteneinsparung bedeutet. Des weiteren sind die Fertigungskosten niedri¬ ger, denn Folien sind wesentlich einfacher zu wickeln als andere Wicklungstypen. So müssen z.B. Kupferschienen ge¬ hämmert werden.

Der erfindungsgemäße Transformator eignet sich als reiner Leistungsimpulsübertrager insbesondere mit Taktfrequenzen zwischen etwa 20 und 100 kHz, Tastverhältnis 1:1, und zwar sowohl zur Strom- als auch zur Spannungstransformation. Er stellt zuverlässig eine Potentialtrennung her. Vorteilhaft ist sein Einsatz zur Ansteuerung von Leistungstransistoren im Floating-Betrieb (Schaltregler-Netzteile).

Eine weitere vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Transformators in der Bauform mit extern kurzschließbarer Wicklung ist der Einsatz als schneller Energieimpulsüber¬ trager. Dies beruht auf der extrem niedrigen Verzögerungs- zeit zwischen Eingangs/Ausgangssignal bei größeren Ener¬ gien.

Der erfindungsgemäße Transformator ist auch vorteilhaft zur Tastung bzw. Impulsgruppenübertragung verwendbar, wenn es auf eine extrem kurze Impulsverzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal ankommt.

Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Transforma¬ tors ist der Rückkopplungstransformator. Der Transformator ist dabei durch externe Beschaltung schnell abschaltbar, d.h. die Rückkopplung unterbrechbar. Dabei erfolgt eine scharfe Unterbrechung durch eine kurzschließbare Wicklung zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung. Die Güte des Transformators ergibt sich hierbei durch Differenzierung der Primärspannung an der Primärwicklung bei kurzgeschlos¬ sener Hilfswicklung und hochohmigem Generator.

Weitere Anwendungen des erfindungsgemäßen Transformators sind z.B. Leistungsimpulsübertrager, Strom-Meßtransfor¬ mator, Modulationstransformator.

Durch die Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Transformators geschaffen worden, bei dem für zu¬ mindest eine Wicklung eine Folienwicklung verwendet wird. Dabei werden die Sekundär- und Primärwicklungen als Zylin¬ derwicklungen aufeinander gewickelt und stets zwischen einer Primärwicklung und dem Wickelkδrper eine Sekundär- (teil)wicklung angeordnet. Die Wicklungen werden derart gewickelt, daß eine stromführende Primärteilwicklung je¬ weils einer stromführenden Sekundärteilwicklung benachbart ist. Vorteilhaft wird dabei zwischen einer Primärwicklung und dem Außensteg stets eine Sekundärteilwicklung angeord¬ net, wodurch die Koppeleffizienz erhöht ist.

Vorteilhaft ist die Herstellung eines Transformators, bei dem zwischen der jeweiligen Primär- und Sekundärwicklung eine Metallfolie angeordnet wird, deren Anschlüsse heraus¬ geführt und mit dem Schutzleiter verbunden werden. Hier¬ durch wird ein Kurzschlußstrom zwischen Primär- und Sekundärwicklung verhindert.

Bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens wird zwischen benachbarten stromführenden Teil¬ wicklungen der Primär- und Sekundärwicklung jeweils eine möglichst einlagige extern kurzschließbare Wicklung ange¬ ordnet, die es gestattet, gesteuert die Energieübertragung zu unterbrechen. Durch geeignete Beschaltung lassen sich die Ubertragungseigenschaften des Transformators außerdem wesentlich verbessern.

Die Sekundär(teil)wicklungen werden bei einer anderen Aus- führungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens als

Folienwicklungen ausgeführt. Als zweckmäßig hat sich dabei erwiesen, jeweils eine Wicklungsfolie und eine Isolier¬ folie zusammen zu wickeln. Diese Ausführung ermöglicht zum einen, einen hohen Kopplungsgrad zwischen den Wicklungen zu erzielen, indem die Wicklungsfläche und damit die Kopp¬ lungsfläche erhöht ist, zum anderen ist der Abstand der Wicklungen voneinander verringert. Daher wird auch bevor¬ zugt für die Isolierung zwischen den (Teil)-Wicklungen Isolierfolie verwendet. Ein Transformator mit einer Primär- und einer Sekundär¬ wicklung wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren herge¬ stellt, indem eine erste Sekundärteilwicklung gewickelt und auf diese eine erste Isolierung aufgebracht wird. Dann wird die Primärwicklung aufgewickelt und mit einer zweiten äußeren Isolierung versehen. Anschließend werden eine zweite Sekundärteilwicklung und eine dritte Isolierung aufgebracht und schließlich die Wicklungsanordnung auf dem Transformatorkern montiert. Alternativ kann, wenn von einer Teilung der Sekundärwicklung abgesehen wird, die Sekundärwicklung und dann eine erste Isolierung auf dem Wickelkörper aufgebracht werden. Anschließend wird die Primärwicklung aufgewickelt und mit einer zweiten Isolie¬ rung versehen, und zuletzt wird die Wicklungsanordung auf dem Transformatorkern montiert. Diese zweite Variante ist besonders einfach herstellbar und daher zweckmäßig, wenn nicht so hohe Ansprüche an die Verkleinerung der Totzeit t* gestellt werden.

Ein erfindungsgemäßer Transformator mit zwei Primär- und zwei Sekundärwicklungen wird hergestellt, indem nach Auf¬ bringen der ersten Sekundär- und Primärwicklung und deren Isolierungen auf den Wickelkörper die zweite Primärwick¬ lung und auf diese eine dritte Isolierung und die zweite Sekundärwicklung und eine vierte Isolierung aufgebracht werden. Anschließend wird die Wicklungsanordung auf dem Transformatorkern montiert.

Soll ein Transformator mit zwei Primär- und jeweils zwei Sekundärteilwicklungen hergestellt werden, so werden bei einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die dritte Isolierung die dritte Sekundärteilwicklung und eine vierte Isolierung aufgebracht, dann die zweite Primär- und die vierte Sekundärteilwicklung mit einer fünften und sechsten Isolierung aufgebracht und an¬ schließend die Wicklungsanordnung auf dem Transformator¬ kern montiert. Die stromführenden Sekundärteilwicklungen ummanteln bei dieser Anordnung immer die stromführende Primärwicklung.

Bevorzugt wird der Transformator in Mantelbauweise herge¬ stellt. Als günstig hat es sich erwiesen, die Wicklungs¬ anordnung vor der Montage auf dem Transformatorkern zu tränken oder zu imprägnieren.

Eine erfindungsgemäße Treiberstufe ist gemäß den Merk¬ malen des Anspruchs 40 ausgebildet.

Ein wesentliches Element der erfindungsgemäßen Treiber- stufe ist der Transformator für die schnelle Leistungs¬ impulsübertragung. Das Ein- und Abschalten des positi¬ ven Basisstroms für den Schalttransistor erfolgt durch die bidirektionale Stromschaltung im Primärkreis des Transformators. Der erfindungsgemäße Transformator über- trifft in bezug auf die Steilheit der Anstiegsflanken und die kurze Verzögerung zwischen Eingangs- und Aus¬ gangssignal alle bekannten Lösungen. Dabei sind insbe¬ sondere seine geringe Größe, die hohe Übertragungsge¬ schwindigkeit und die kostengünstige Herstellung von besonderem Vorteil. Die Potentialtrennung des Systems ergibt sich automatisch.

Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Treiberstufe ist der einfachere Aufbau. So entfällt die zusätzliche Hilfs- spannungsquelle für den positiven Basisstrom, und das Signal und die Leistungsversorgung für den Leistungs¬ transistor können mit dem gleichen Bauteil übertragen werden.

Je nach Verwendung der Treiberstufe ist der erforder¬ liche Beschaltungsaufwand unterschiedlich. Bevorzugt umfaßt die erfindungsgemäße Treiberstufe einen Logik¬ prozessor. Die größten Anforderungen stellt dabei die impulsbreitenmodulierte Energieimpulsübertragung, z.B. bei Schaltreglern hoher Leistung im Netzbetrieb. Bei einer solchen Anwendung, die im folgenden näher er¬ läutert wird, wird die vom Treibertransformator über¬ tragene, impulsbreitenmodulierte Recht- eckspannung mittels schneller Dioden gleichge¬ richtet. Die Flankensteilheit des impulsbreitenmodu¬ lierten Impulses ist dabei die dominierende Größe für die Ein- und Ausschaltgeschwindigkeit des Basisstroms. Die Totzeit des Signalübertragungswegs ist dabei kürzer als die Zeit, in der ein Transistor mit nachgeschalte¬ tem Kurzschluß im Dauerbetrieb thermisch zerstört würde. Die zwischen dem Transformator und der Basis des nach¬ geschalteten Schaltungstransistors angeordneten Bauteile und Schaltgruppen haben keinen Einfluß auf die Abschalt¬ geschwindigkeit des Schalttransistors, wobei die Flan¬ kensteilheit und Verzögerungszeit der Signale des posi¬ tiven Basisstroms allein durch die Übertragungsfunktion des Transformators bestimmt sind. Das System hat somit bei der Signalübertragung eine extrem kurze Verzögerungs¬ zeit, die, wie erwähnt, insbesondere auf die Verknüpfung der Funktionen der Übertragung von Schaltbefehlen und der Übertragung der Basissteuerleistung für den Schalt¬ transistor zurückzuführen ist. Es besteht dabei eine ge- ringe kapazitive Kopplung zwischen Regelelektronik-Masse und Masse-Leistungspotential. Stromsignale und Hilfs¬ energie für nachgeschaltete Stufen können im Floating- Betrieb übertragen werden. Insbesondere die oben be¬ schriebenen Vorteile ermöglichen bei Verwendung von "MIL-SPEC"-Bauteilen, die die Vorschriften für die Her¬ stellung, Prüfung und Anforderungen für die Zulassung im militärischen Bereich erfüllen, die Verwendung der erfindungsgemäßen Treiberstufe im militärischen Bereich. Eine derartig ausgestattete Treiberstufe kann auch im zivilen Bereich bei erhöhten Anforderungen eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Treiberstufe läßt sich vorteilhaft auch als Hybrid-Baustein ausbilden, wodurch die Ferti- gungskosten infolge des geringeren Montageaufwands noch günstiger werden. Bei dieser Ausbildung der erfindungs¬ gemäßen Treiberstufe ist auch der Platzbedarf wesent¬ lich herabgesetzt und die Betriebssicherheit weiter er¬ höht.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Treiberstufe besteht im wesentlichen darin, daß die positive Basisspannung mit extrem hoher Geschwindigkeit ein- und ausgeschaltet wird. Die Verzögerungszeit zwischen der Ansteuerung der Regelelektronik über eine potentialfreie Übertragungs¬ strecke im nachfolgenden Verstärker und dem Basiseingang des Schalttransistors wird extrem kurz gehalten. Die Ver¬ zögerungszeiten können dabei deutlich unter 1 Mikrosekun- de betragen. Vorteilhaft ist, daß der übertragene Impuls direkt von der Stromtransformation über den vorgeschal¬ teten Transformator übertragen wird. Es ergibt sich da¬ bei, daß eine geringere Verstärkung benötigt wird. Die höhere Spannung macht kleinere Ströme erforderlich. So können beispielsweise mit 70 V und einem Stromtransfor- mationsfaktor von 12 ein Schaltstrom von 10 A erhalten werden, wobei Schaltzeiten von 100 ns realisiert werden können. Die Verwendung nachgeschalteter Darlington-Ketten mit Schaltgeschwindigkeiten von etwa 10 ,us beeinträch¬ tigt die Funktion der erfindungsgemäßen Treiberstufe nicht, da derartige Schaltglieder nicht mehr als Schal¬ ter, sondern lediglich zur Stromregelung verwendet wer¬ den. Trotz der hohen Schaltgeschwindigkeiten können Spannungen bis zu 1000 V geschaltet werden.

Die erfindungsgemäße Treiberstufe zeichnet sich durch be¬ sondere Betriebssicherheit aus. Sie ermöglicht eine Über¬ wachung des Schalttransistors in Abhängigkeit von dessen Betriebszuständen, sowie eine Notabschaltung. Die erfin¬ dungsgemäße Treiberstufe ist dabei so geschaltet, daß alle Schaltungen bezüglich des positiven Basisstroms als bevorzugte Stellung die Stellung Null (stromlos) haben, während dies in bezug auf den negativen Basisstrom um¬ gekehrt ist, damit der Schalttransistor auf eine negati¬ ve Basisvorspannung geclampt werden kann. Bezüglich der Schaltzeiten wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß sie sich auf die Spannungspegel O bzw. 100 %, statt herkömmlich 10 bzw. 90 %, beziehen. Die tatsächlichen, mit den üblichen Angaben vergleichbaren Angaben • sind daher wesentlich besser.

Als besonders günstig hat sich bei der erfindungsgemäßen Treiberstufe die Verwendung eines Transformators mit Hilfs¬ wicklung erwiesen. Diese ermöglicht eine besonders gute funktionelle Trennung des Wiσklungssystems vom Kernsystem, so daß die Trägheit der zeitlichen Abläufe im magnetischen Material nicht in das Übertragungsverhalten des Trans¬ formators eingehen. Durch eine externe Beschaltung be¬ steht die Möglichkeit einer zeitstarren Verriegelung. Je schneller dabei die Logikverknüpfung arbeitet, umso schneller arbeitet der Transformator. Bei großer Aus¬ steuerung längs der B-H-Kurve, etwa im Bereich von 500, 1000 Gauss, ist eine Verwendung einer extern kurz¬ schließbaren Hilfswicklung unbedingt erforderlich. Wird der Kern weniger stark ausgesteuert,so daß sich die Eigen- schaften des Magnetmaterials weniger stark bemerkbar machen, reichen Maßnahmen in der externen Beschaltung aus, beispielsweise eine harte Ansteuerung durch einen Ge¬ nerator.

Die Funktionen der erfindungsgemäßen Treiberstufe kön¬ nen erweitert werden, ohne ihre wesentlichen Eigenschaf¬ ten zu verändern. Es gibt die Möglichkeit zweier Grund¬ varianten bei der erfindungsgemäßen Treiberstufe. Bei einer werden die Schaltbefehle für die negative Basis- Spannung aus dem positiven Basisstrom erzeugt. Alternativ kann eine Fremdversorgung mit einer negativen Basis¬ spannung vorgesehen sein. Diese wird insbesondere bei langen Takt-Aus-Zeiten eingesetzt, z.B. bei ausgeschal¬ tetem Schalttransistor, wodurch eine externe Hilfsver- sorgung erforderlich wird.

Die erfindungsgemäße Treiberstufe wird vorteilhaft durch eine Laststromverzögerungseinrichtung ergänzt, die das Durchschaltverhalten des Schalttransistors verbes- sert. Bei niedrigen Spannungen wird sie nicht benötigt, ihr Einsatz ist jedoch bei Hochvolttransistoren sehr zweckmäßig. Eine bevorzugte Laststromverzögerungs- einrichtung umfaßt eine Drosselspule und eine parallel geschaltete Diode in Sperrichtung zum Last- ström. Zweckmäßig wird die Wicklung der Drosselspule sehr dicht am magnetischen Kern ange¬ ordnet, wodurch entsprechend den Vorgängen im Kernmate¬ rial des Transformators der Anteil der komplexen Induk¬ tivität in gewünschter Weise möglichst groß wird. Korn- Orientierungen und ähnliche, oben beschrieben Vorgänge bewirken dabei eine Signalverzögerung. Durch diese An¬ ordnung der Drosselspule erweist sich, daß nicht der spezielle magnetische Werkstoff wesentlich ist, sondern vielmehr die Trägheit des magnetischen Materials. Die Auswahl des Kernmaterials kann daher nach wirtschaftli¬ chen Erwägungen erfolgen, was die Kosten der Drossel¬ spule günstig herabsetzt. Eine bevorzugte Bauform des Drosselspulenkerns ist ein kleiner Ringkern aus Ferrit.

Zweckmäßig ist der Basisstromregler aus einem zweistufi¬ gen Schaltverstärker und einem Leistungsstellglied auf¬ gebaut. Das Leistungsstellglied besteht dabei aus einem Transistor und einem als Diode ausgebildeten Antisätti- gungsglied, die so geschaltet sind, daß der Spannungsab- fall der Basis-Emitter-Strecke des Transistors und der Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors gleich dem Spannungsabfall des Antisättigungsglieds und der Kollek¬ tor-Emitter-Strecke des Schalttransistors ist. Die Funktion dieses Stromregelglieds ist dabei, daß das als Diode ausgebildete Antisättigungsglied bewirkt, daß der überschüssige Basisstrom zum Kollektor hin geleitet wird.

Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Treiberstufe mit einem Schaltverstärker versehen, durch den der Basis- stromregier jederzeit abschaltbar ist. Hierdurch ist der Energiebedarf für den negativen Basisstrom erheblich herabgesetzt, und die Energieversorgung für den negati¬ ven Basisstrom kann wesentlich geringer dimensioniert werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungs¬ gemäßen Treiberstufe besteht darin, daß ein Entsätti- gungsüberwachungsglied im Logikprozessor einen Pegel¬ sensor sowie ein Flip-Flop umfaßt, in dem der Schaltbe- fehl bei Überschreiten eines vorgegebenen Pegels des Basisstroms gespeichert ist. Das Flip-Flop ist dabei vorteilhaft derart, geschaltet, daß es im stationären Zustand ausgeschaltet ist. Hierdurch ist insbesondere beim Einschalten eine erhöhte Sicherheit gewährleistet, da es zu keinen Fehlschaltungen des Schalttransistors kommt.

Die weiteren von der Erfindung angestrebten Ziele und Vorteile ergeben sich aus der folgenden, in Einzelheiten gehenden Erläuterung der Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die jedoch in keiner Weise als den Umfang der Erfindung einschränkend anzuse¬ hen sind, sondern lediglich zum Zwecke der Darstellung und Erklärung dienen. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer bekannten Trei- berstufe,

Fig. 2 ein Diagramm, das schematisch die Übertragungs¬ leistung in Abhängigkeit von der Frequenz und die Verwendung unterschiedlicher Transformator- Kernwerkstoffe und -Herstellungstechniken in den verschiedenen Frequenzbereichen veranschaulicht,

Fig. 3 eine Meßanordnung zur Bestimmung der Übertra¬ gungseigenschaften von Transformatoren bezüglich der Kernbauform und des Kernwerkstoffes, Fig. 4 eine bei Versuchen mit der in Fig. 3 darge¬ stellten Meßanordnung verwendete Meßschaltung,

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf (a) der Primärspannung, (b) des Primärstroms und (c) der Sekundärspannung bei den Versuchsmessungen, Fig. 6 den zeitlichen Verlauf der Primärspannung gemäß Fig. 5 (a) in vergrößerter Darstellung,

Fig. 7 ein Vektordiagramm der Impedanz des magnetischen Materials,

Fig. 8 ein Vektordiagramm der Gesamtimpedanz des Kerns, Fig. 9 ein Vektordiagramm der Permeabilität des mag¬ netischen Materials,

Fig. 10 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Transformators,

Fig. 11 eine Querschnittansicht durch ein erstes Aus¬ führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Trans- formators,

Fig. 12 ein Schaltschema des in Fig. 11 dargestellten Transformators ,

Fig. 13 eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungs¬ beispiels des erfindungsgemäßen Transformators,

Fig. 14 einen vergrößerten Ausschnitt des in Fig. 13 dargestellten Transformators in Schnittansicht längs Linie A in Fig. 13,

Fig. 15 ein Schaltschema des in Fig. 13 dargestellten Transformators, Fig. 16a eine Seitenansicht eines dritten Ausführungs¬ beispiels des erfindungsgemäßen Transformators,

Fig. 16b eine Schnittansicht längs der Linie A-B in Fig. 16a,

Fig. 17 einen vergrößerten Ausschnitt entsprechend Linien C, C' in Fig. 16b,

Fig. 18 ein Schaltschema des in Fig. 16 dargestellten Transformators,

Fig. 19 den zeitlichen Verlauf (a) der Primärspannung, (b) des Primärstroms und (c) der Sekundär¬ spannung beim erfindungsgemäßen Transformator,

Fig. 20 eine Seitenansicht eines vierten Ausführungs¬ beispiels eines erfindungsgemäßen Transformators mit Hilfswicklung,

Fig. 21 eine Schnittansicht eines Ausschnitts A einer ersten Variante des in Fig. 13 gezeigten Transformators ,

Fig. 22 eine Schnittansicht eines Ausschnitts A einer zweiten Variante des in Fig. 20 gezeigten Transformators,

Fig. 23 ein Schaltschema des in Fig. 20 dargestellten Transformators,

Fig. 24 eine Meßanordnung zur Bestimmung der Über¬ tragungseigenschaften von Transformatoren mit extern kurzschließbarer Hilfswicklung, Fig. 25 Zeitdiagramme für eine in der in Fig. 24 gezeigten Meßanordnung verwendete Schaltung,

Fig. 26 (a) bis (g) das zeitliche Verhalten von Pri- märspannungs- und Sekundärspannungsimpulsen mit und ohne extern kurzschließbarer Wicklung, Fig. 27 ein Prinzipsschaltbild einer erfindungsgemäßen Treiberstufe und

Fig. 28 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Treiberstufe.

Im folgenden wird ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Transformators unter -4I._¬

Bezugnahme auf die Fig. 11 und 12 erläutert. Der Kern 102 des Transformators ist ein E-E-Kern (E-E 65) , dessen Außenstege 104, 104' und Mittelsteg 106 bei einer Hälfte im Längsschnitt dargestellt sind. Das Kernmaterial ist Ferrit (z.B. FX3C8 der Firma Valvo) .

Auf dem Mittelsteg 106 angeordnet ist die Wicklungsan¬ ordnung 120. Sie umfaßt einen Wickelkörper 122 aus einem Kunststoffmaterial, auf dem eine Primärwicklung 124 und zwei Sekundärteilwicklungen 126 und 128 aufgewickelt sind. Die Wicklungsanordnung ist dabei derart, daß die Sekundärteilwicklungen 126, 128 die Primärwicklung 124 umgeben. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind sämtliche Wicklungen Folienwicklungen. Bei der verwendeten Folie handelt es sich um eine 25 ,um dicke und 40 mm breite

Kupferfolie. Die Anschlüsse der Wicklungen sind in Fig. 11 schematisch jeweils mit E und A bezeichnet. Die Win¬ dungszahlen sind 22 (Primärwicklung) und jeweils 32 (Sekundärteilwicklungen) .

Zwischen den Wicklungen und diese umgebend sind Iso¬ lierungen 130, 132 bzw. 134 angeordnet. Sie sind im dar¬ gestellten Ausführungsbeispiel folienformig aus Hostaphan (PETP) ausgeführt. Die verwendete Folie ist 0,2 mm dick und 44 mm breit. Der Überstand der folienförmigen Isolie¬ rung bezüglich der Folienwicklung beträgt daher etwa 2mm.

Dieser Transformator eignet sich vor allem für Sonder¬ fälle mit Ansteuerungen mit Tastverhältnis 1 : 1. Ein bevorzugter Einsatz erfolgt bei der später beschriebenen erfindungsgemäßen Treiberstufe ohne Logikprozessor.

Das Schaltschema der Wicklungsanordnung ergibt sich aus Fig. 12, Der dargestellte Transformator ist für eine Lei- stung von 4 kW ausgelegt. Die Primärspannung ist 220 V

Gleichspannung, die SekundärSpannung an den Sekundärteil¬ wicklungen jeweils 320 V. Der maximale Primär- und Sekun¬ därstrom ist 20 A. Die Windungsspannung ist daher 10 V pro Windung.

Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Trans¬ formators ist in den Fig. 13, 14 und 15 veranschaulicht. Fig. 13 zeigt eine Seitenansicht des Transformators, dessen Kern 102 wiederum in E-E-Bauform ausgeführt ist und aus Ferrit besteht. Die Außenstege 104, 104' und der Mittel¬ steg 106 des Kerns umfassen eine Wickelkammer 108. Ein aus einem Kunststoff-Vierkantrohr hergestellter Wickel¬ körper, dessen Innendurchmesser etwa 0,5 mm größer als der Außendurchmesser des Mittelstegs 106 des Kerns 102 ist, ist ohne Seitenwände ausgebildet und umgibt den Mittelsteg. Auf den Mittelkörper sind die beiden Primärwicklungen 124 und 138 und jeweils zwei Sekundärteilwicklungen 126, 128 und 136, 140 aufgewickelt. Die Primärwicklungen 124, 138 sind aus Cu-Litzendraht (CuL-Draht). Die Sekundärteilwicklun¬ gen sind folienformig aus Cu-Folien ausgeführt. Die Wick¬ lungen der Primär- und Sekundärwicklungen sind dabei der¬ art, daß jeweils eine Sekundärteilwicklung 126 bzw. 136 zwischen der zugeordneten Primärwicklung 124 bzw. 138 und dem Wickelkörper 122 liegt.

Zwischen den Wicklungen ist eine Isolierung angeordnet, bei der es sich um eine Kunststoffolie handelt, die bevorzugt aus Hostaphan (PETP) besteht. Die Breite der Isolierfolie ist etwa 1 mm geringer als die Länge des Mittelstegs 106 des Kerns 102 und sie ist etwa 2 mm größer, als die Breite der Kupferfolie beträgt.

Die Wicklungsanordnung ist in einem in Fig. 14 dargestell¬ ten vergrößerten Ausschnitt veranschaulicht, der eine Schnittansicht längs Linie A in Fig. 13 darstellt. Fig. 15 zeigt das Schaltschema der Wicklungen.

Der Transformator wird folgendermaßen hergestellt: Als erstes wird eine erste Sekundärteilwicklung 126 auf den Wickelkörper 122 aufgebracht, anschließend eine Isolierung 130. Danach wird eine erste Primärwicklung 124 in CuL-Wik- keltechnik auf dieser Isolierung aufgewickelt und darauf wiederum eine Isolierung 132 aufgebracht. Danach wird eine zweite Sekundärteilwicklung 128 aufgewickelt, die wie die erste Sekundärteilwicklung eine Wickelfolie ist. Hierauf wird wieder eine Isolierung 134 angeordnet. Entsprechend werden eine dritte Sekundärteilwicklung 136, eine vierte Isolierung 142, eine zweite Primärwicklung 138, eine fünfte Isolierung 144, eine vierte Sekundärteilwicklung 140 und eine sechste Isolierung 146 aufgebracht. Der Wicklungsanfang der einzelnen Wicklungen wird markiert, und die Leiterfolie wird mit Cu-Litze versehen. Vorteilhaft werden die Leiter¬ folie und die Isolierfolie gleichzeitig zur Isolierung der einzelnen Folienwindungen voneinander gewickelt. Der fer¬ tig gewickelte Wickelkörper wird anschließend auf dem Kern 102 montiert. Anschließend wird eine Montagehalterung für den Kern angebracht.

Der oben beschriebene Transformator ist einfach und kosten¬ günstig herstellbar. Er ist für einen Temperaturbereich zwi- sehen -40°C und +120°C einsetzbar. Seine Spannungsfestig¬ keit beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel 4 kv DC. Der Transformator arbeitet sehr zuverlässig und bietet den Vorteil minimaler Verzögerungszeiten bei der Impulsüber¬ tragung. Er ist insbesondere zur potentialfreien Leistungs- Impuls-Übertragung, z.B. mit einem Tastverhältnis 1:1, geeignet.

Der Transformator des dritten Ausführungsbeispiels weist eine Wicklungsanordnung aus zwei Primärwicklungen 124, 138 und zwei Sekundärwicklungen 148, 150 auf. Fig. 16a zeigt eine Seitenansicht des Transformators, und Fig. 16b zeigt den Transformator im Querschnitt. Soweit der Transformator gleich dem Transformator des obenstehenden zweiten Ausfüh¬ rungsbeispiels ist, wird zur Vermeidung von Wiederholun¬ gen auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Trans¬ formator unterscheidet sich in der Wicklung von dem vorher¬ gehenden Ausführungsbeispiel. Die beiden Primärwicklungen sind, von einer Isolierung 152 getrennt, einander benach¬ bart angeordnet. Sie sind jeweils auf der anderen Seite von einer ihr zugeordneten Sekundärwicklung 148 bzw. 150 umgeben, die sich jeweils zum Kern hin abschirmend befindet, um die Wicklungskopplung zu begünstigen. Die Wicklungsanord¬ nung ist in einem vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 16b im Bereich der Linien C, C in Fig.- 17 veranschaulicht.

Fig. 18 zeigt das Schaltschema der Wicklungsanordnung.

Der Transformator des dritten Ausführungsbeispiels wird folgendermaßen hergestellt:

Die aus Wickelfolie bestehende Sekundärwicklung 148 wird auf den Wickelkörper 122 aufgewickelt und anschließend eine Isolierung 130 aufgebracht. Darauf wird die Primär¬ wicklung 124, nachfolgend eine Isolierung 152 aufgebracht. Hierauf folgen die zweite Primärwicklung 138, eine weitere Isolierung 144, die zweite folienförmige Sekundärwicklung 150 und eine äußere Isolierung 146. Die Wicklungsanordnung wird dann auf dem Kern wie bei dem vorhergehenden Ausfüh¬ rungsbeispiel angeordnet.

Dieser Transformator ist kostengünstig und einfach her¬ stellbar und arbeitet mit hoher Zuverlässigkeit im Tempe¬ raturbereich zwischen -40°C und +120°C. Seine Spannungs¬ festigkeit sind 4 kV DC. Aufgrund der Wicklungsanordnung ist die kapazitive Kopplung zwischen den Primär- und Sekun¬ därwicklungen gering. Es können Leistungsimpulse mit hoher Flankensteilheit und geringen Verzögerungszeiten bei varia¬ blem Tastverhältnis übertragen werden.

Das in Fig. 19 a bis c dargestellte zeitliche Verhalten von PrimärSpannung, Primärström und SekundärSpannung veranschau¬ licht die Vorteile des erfindungsgemäßen Transformators, die im wesentlichen auf die erfindungsgemäße räumliche Anordnung der Wicklungen zueinander zurückzuführen sind. Die Impuls- dauer ist im wesentlichen gleich der jeweiligen Halbperiode der PrimärSpannung. Der geringe Zeitversatz, d.h. die zeit¬ liche Verzögerung t' der Signal- bzw. Impulsanstiege beruht auf den Umschaltzeiten der in der Schaltung verwendeten Transistoren. Da das Impulsdach im wesentlichen horizontal ist, können die Schaltungsbauteile in ihrer Leistung sehr gut ausgenutzt werden. Die Restdachschräge des Primärstrom- signals beruht auf dem Magnetisierungsblindstrom.

In den Fig. 20 bis 23 ist ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Transformators gezeigt, der mit einer Hilfswicklung versehen ist. Fig. 20 zeigt eine Seitenan¬ sicht des Transformators, ähnlich wie Fig. 13. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut beschrieben. Fig. 21 zeigt eine Schnittansicht des in Fig.20 darge¬ stellten, vergrößerten Ausschnitts einer ersten Variante der Wicklungsanordnung.

Auf einem einen Kern 102 umgebenden Wickelkörper 122 ist eine erste Sekundärteilwicklung 158 (mit Zwischenisolie¬ rung 166) aufgewickelt, die als Folienwicklung ausgebildet ist. Die Sekundärteilwicklung 158 ist mit einer Isolierung 168 umgeben. Die Primärwicklung 154, 156 ist als Draht- wicklung ausgebildet und erstreckt sich nicht über die ge¬ samte Wickelbreite. Neben der Primärwicklung, d.h. ihren beiden Teilwicklungen, ist eine Hilfswicklung 162, 164 ge¬ wickelt. Die beiden Wicklungen sind mit einer Zwischeniso¬ lierung 172 versehen und von einer Isolierung 174 umgeben, und auf die beiden Wicklungen gemeinsam ist eine zugeord¬ nete äußere Sekundärteilwicklung 160 mit Zwischenisolierung 180 und Außenisolierung 182 aufgewickelt.

Fig. 22 zeigt eine Schnittansicht des in Fig. 20 darge- stellten, vergrößerten Ausschnitts einer zweiten Variante der Wicklungsanordnung. Auf einen einen Kern 102 umgebenden Wickelkörper 122 ist eine erste Primärteilwicklung 158 (mit Zwischenisolierung 166), sowie eine Isolierung 168 aufge¬ wickelt. Die Sekundärteilwicklung und die Isolierung sind folienformig ausgebildet. Auf die Anordnung ist eine erste HilfSteilwicklung 162 aufgewickelt, die von einer Isolie¬ rung 176 umgeben ist. Darüber befindet sich die Primärwick¬ lung 154, 156, die hier als Drahtwicklung ausgebildet ist, jedoch auch eine Folienwicklung sein kann. Die Primärwick- lung wird von einer Isolierung 174 umschlossen, und darüber ist eine zweite HilfSteilwicklung 164 mit Isolierung 178 angeordnet, auf die wiederum eine zweite Sekundärteilwick¬ lung 160 mit Zwischenisolierung 180 und Außenisolierung 182 aufgewickelt ist.

Fig. 23 zeigt das Schaltschema der Wicklungsanordnung, In Fig. 24 ist eine Meßanordnung zur Bestimmung der Über¬ tragungseigenschaften von Transformatoren mit extern kurzschließbarer Hilswicklung gezeigt, bei denen es sich z.B. um die in den Fig. 21 und 22 gezeigten Transforma- toren handeln kann. Ein Generator 50 mit einem Abblock¬ kondensator 52, der mit einer Eingangsspannung ^"„ __ ge- speist wird, umfaßt einen Oszillator 54, d.h. einen Im¬ pulsbreitenmodulator. Primärteilwicklungen 40a, 40b eines zu untersuchenden Transformators sind über zwei Dioden 56, 58 sowie zwei Schalter Sl bzw. S2 durch den Oszilla¬ tor 54 weich ansteuerbar. Zwei Sekundärteilwicklungen 42, 44 des Transformators sind eingezeichnet, wobei die Be¬ schaltung der Sekundärteilwicklungen lediglich angedeutet ist. Es können selbtverständlich auch mehr als zwei Se- kundärteilwicklungen vorliegen. Eine Hilfswicklung 46, die extern kurzschließbare Wicklung, ist zwischen den Primär- und Sekundärteilwicklungen angeordnet. Die Wick¬ lungsenden sind über Dioden 60 angeschlossen, wobei die Hilfswicklung 46 durch einen Schalter S3, der vorzugs- weise als Transistor ausgebildet ist, schaltbar ist. Ein Dekodierglied 66 ist über parallel zu den Dioden 56 und 58 geschaltete Dioden 62 und 64 angeschlossen. Mit dem Dekodierglied 66 ist ein Verstärkungs-, d.h. Leistungs¬ teil verbunden, der wiederum mit dem Schalter S3 ver- bunden ist.

Fig. 25 zeigt Zeitdiagramme der Schalter Sl, S2 und S3. Darin ist veranschaulicht, daß der Schalter S3 immer dann betätigt ist, wenn die beiden anderen Schalter nicht be- tätigt sind, d.h. wenn die Primärspannung gleich Null ist.

Die in Fig. 24 gezeigte Meßanordnung arbeitet folgender¬ maßen. Der Pegel "0" der Primärspannung, d.h. der Gene- ratorspannung, wird ausgewertet und für die Steuerung des Schalters S3 verwendet. Die Hilfswicklung 46 wird mittels des schnellen Leistungsschalters S3 und Klammerung der Wicklung während Impulspausen des Primärspannungssignals kurzgeschlossen. Dabei wird das Ansteuerungssignal über den Verstärker 68 verstärkt. Die Ausgangsspannung der Hilfswicklung wird über Dioden 60 gleichgerichtet.

Die zeitlichen Zusammenhänge der einzelnen Spannungen sind in Fig.26 (a) bis (g) veranschaulicht. Fig. 26 (a) und ⁽b⁾ zeigen den Spannungsverlauf an den Primärteilwick¬ lungen 40a und 40b entsprechend der Betätigung der Schalter Sl und S2. Fig. 26 (c) zeigt die theoretische, erwünschte SekundärSpannung. Fig. 26 (d) zeigt die ohne Hilfswicklung bei einer Wirklast mit nichtlinearem Stromanstieg (Basis- Emitter-Strecke eines Leistungstransistors) praktisch erzielte SekundärSpannung. Durch diese schiefe Last ent¬ steht ein asymmetrischer Spannungsverlauf der Sekundärspan- nung, bezogen auf die Nullachse, der zur Erleichterung des Verständnisses nicht dargestellt wurde. Dieser Kurven¬ verlauf wird somit bei unbetätigtem Schalter S3 und freier Hilfswicklung erzielt.

Wie das Zeitdiagramm veranschaulicht, ist die Sekundär¬ spannung nicht gleich Null, wenn die Primärspannung den Wert Null besitzt, sondern hat vielmehr einen Wert, der deutlich größer als Null ist. Die schraffierten Bereiche veranschaulichen die Abweichungen des Signalverlaufs zwi¬ schen der Primär- und der SekundärSpannung, auf die eine Verfälschung der Signale zurückzuführen ist.

Fig. 26 (e_. veranschaulicht den bei aktivierter Hilfswick- lung praktisch erzielten Verlauf der Sekundärspannungs- signale. Der Verlauf entspricht im wesentlichen dem er¬ wünschten Verlauf der Sekundärspannungsimpulse. Von Null abweichende Werte der Sekundärspannung wirken sich auf die weitere Signalverarbeitung nicht weiter störend aus, sind jedoch noch verringerbar. Dieses Zeitdiagramm wie auch alle anderen Zeitdiagramme basiert auf der Belastung des Transformators mit überwiegendem Wirkanteil (nichtlineare Stromspannungscharakteristik). In Fig. 26 (f) sind die Sekundärspannungsimpulse entsprechend dem in Fig. 22 (e) dargestellten Verlauf, jedoch zur Gegentaktsteuerung um 180° phasenverschoben. Fig. 26 (g) zeigt ein weiteres Zeitdiagramm, bei dem die positiven Impulse der beiden Sekundärwicklungen dargestellt sind und z.B. zur Ansteu¬ erung von Transistoren mit positivem Basisstrom verwendbar sind.

Untersuchungen haben ergeben, daß der Innenwiderstand des Generators 50 keinen Einfluß auf das Verhalten des durch den Transformator mit Hilfswicklung gebildeten neu- artigen Übertragungssystems ausübt.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 27 ein Prin¬ zipschaltbild der erfindungsgemäßen magnetischen Trei¬ berstufe näher erläutert. Gleiche Teile, wie sie bereits in der elektronischen Treiberstufe enthalten sind, die in Fig. 1 gezeigt ist, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut beschrieben. Eine

Hilfsspannungsversorgung 202 ist bereitgestellt, um einen minimalen Basispegel für den negativen Basisstrom bei langen Pausenzeiten in der Ansteuerung bereitzustellen. Über diese Hilfsspannungsversorgung werden auch Referenz- Spannungen für Pegeldetektoren erzeugt.

Das Kernstück der magnetischen Treiberstufe ist ein Trans¬ formator 230, mit dessen Sekundärseite ein Logikprozessor 218 verbunden ist. Sekundärseitig sind schnelle Dioden 232 und 234 angeschlossen. Mit der Transformator¬ stufe verbunden ist ein Einschaltübersteuerungsglied 206, das über einen Stromregler 212 mit einem Schalttransistor 210 über dessen Basis verbunden ist. Ein Schalter 216 ist zum Schalten des negativen Basisstroms vorgesehen. Der Logikprozessor 218 ist mit dem Kollektor des Schalt¬ transistors 210, sowie mit dem Stromregler 212 und dem Schalter 216 verbunden.

Außerdem ist eine Laststromverzögerungseinrichtung 220 mit dem Kollektor des Schalttransistors 210 verbunden. Die Wicklung der Drosselspule 222 ist dabei möglichst dicht am magnetischen Werkstoff angebracht, um durch die magnetischen Eigenschaften des Kernmaterials eine mög¬ lichst große Verzögerung des Lastsignals zu erzielen.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Treiberstufe wird im folgenden weiter unter Bezugnahme auf Fig. 28 er¬ läutert, die ein detailliertes Schaltbild zeigt, aus dem auch die Struktur des Logikprozessors 218 weiter hervorgeht.

Der erfindungsgemäße Logikprozessor 218 hat mehrere Auf¬ gaben zu erfüllen. So umfaßt er beispielsweise eine Ent- sättigungsüberwachung mit einem Pegelsensor und einem Flip-Flop mit einer Funktionsweise, die erheblich von der klassischen Bauweise solcher Schaltungen abweicht. Der Pegelsensor umfaßt einen Transistor 236 und eine mit dessen Emitter verbundene Diode 242, die kollektorsei- tig mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransi- tors 210 verbunden ist. Mit dem Kollektor des Transistors 236 verbunden ist eine Serienschaltung aus einer Diode 244 und einem Widerstand 246, sowie eine dazu parallele Se¬ rienschaltung aus einem Widerstand 248 und einer Diode 250. Mit der Basis des Transistors 236 verbunden ist ein einstellbarer Widerstand 240, dessen anderes Ende an ein GND-, d.h. Ground-Potential, angeschlossen ist. Das GND-Potential stellt das Bezugspotential für die positive und negative Basisspannung und auch für die Referenzpegel dar. Auf diesem Potential liegt auch der Emitter des Schalt- transistors 210 sowie die Mittelzapfung der Transforma¬ toren 230 und 202. Mit dem anderen Ende ist der einstell¬ bare Widerstand 240 mit einem weiteren Widerstand 238 ver¬ bunden, der über einen weiteren Widerstand 276 mit einem Anschluß der Hilfsspannungsversorgung 202 verbunden ist, während deren anderer Anschluß über einen Kondensator 278 mit einer GND-Leitung 282 verbunden ist.

Das Flip-Flop umfaßt zwei Transistoren 252 und 254. Der Emitter des Transistors 254 ist mit dem einen Anschluß der Hilfsspannungsversorgung 202 verbunden, sowie mit dem Kondensator 278. Mit dem Emitter ist ein Widerstand 260 verbunden, dessen anderes Ende mit der Basis des Transistors 254 verbunden ist. Der Eingang 253 der Stufe, deren Hauptteil der Transistor 254 ist, ist gleichzeitig über die Diode 258 mit der Basis des Transistors 254 und über eine Diode 256 mit dem Kollektor des Transistors 254 verbunden. Der Eingang 253 ist über die Diode 250 und den Widerstand 248 mit dem Kollektor des Transistors 236 verbunden. Gleichzeitig ist der Eingang über eine Diode 270 und einem Widerstand 268 und eine Zenerdiode 269 mit dem Kollektor des zweiten Transistors 236 des Flip- Flops verbunden. Der Kollektor des Transistors 254 steht über einen Widerstand 262 mit dem zweiten Transistor 252 des Flip-Flops in Verbindung, der ebenfalls mit zwei Dio¬ den 264, 266 und einem Widerstand 267 beschaltet ist, während zwischen die beiden Kollektoren der Transistoren 252 und 254 eine Zenerdiode 269 sowie eine Reihenschal- tung eines Widerstands 268 und der Dioden 270 und 256 geschaltet sind. Die beiden Dioden 250 und 270 bilden ein ODER-Gatter.

Der Pegelsensor für den positiven Basisstrom und die Entsättigungsüberwachung werden aus einer internen Re¬ ferenzspannung (im gezeigten Beispiel: Diode 292 und Kon¬ densator 296) gespeist. Der vom Pegelsensor abgegebene Impuls ist sehr kurz und wenig energiereich, da seine Ladungsmenge durch die Teilladung eines Kondensators 272 bestimmt ist. Der Impuls wird gleichzeitig an einen zwei¬ stufigen Verstärker, bestehend aus Transistoren 298 und 274 angelegt, des weiteren an den Setzeingang des Flip- Flops mit den Transistoren 252 und 254. Auf diese Weise wird der kurze Spannungsimpuls des Pegelsensors während einer Periode gespeichert, bis der Pegel des positiven Basisstroms unter einen unteren Schwellenwert absinkt. Hierdurch fällt die Selbsthaltespannung des Flip-Flops unter die Zenerspannung der Diode 269, und das Flip- Flop kippt in den ursprünglichen bevorzugten stabilen Zustand zurück (Aus-Signal; Null). Das Flip-Flop ist da¬ bei so geschaltet, daß es infolge des stabilen Pegels Null beim Einschalten sicherstellt, daß es zu keinen Fehlschaltungen des Schalttransistors 210 kommt. Hier¬ durch ist die Sicherheit der erfindungsgemäßen Treiber- stufe erhöht. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Strom¬ belastung gering gehalten werden kann.

Die Aktivierung der Entsättigungsüberwachung bedingt durch den Ladevorgang des Kondensators 272 über einen Widerstand 273, ist somit während der Dauer der Ein¬ schaltverzögerung des nachgeschalteten Schalttransistors verzögert und wird für jeden Arbeitszyklus über den Transistor 274 neu gestartet. Bei auftretender Entsätti- gung (nicht mehr ausreichender Basisstrom) des Schalt¬ transistors 210 erfolgt folgende Routine. Der Befehl Entsättigung wird ausgewertet und gespeichert. Dann wird der negative Basisstrom unverzüglich eingeschaltet und der Stromregler für den positiven Basisstrom abgeschal- tet. Der Schaltzustand wird gespeichert, bis eine neue Einschaltung durch einen Impuls des Treibertransforma¬ tors erfolgt. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß der negative Basisstrom ohne Verzögerung eingeschaltet wird. Bei einer steuersignalbedingten Abschaltung der Treiber- stufe ist hingegen eine Verzögerung des Beginns des negativen Basisstroms erforderlich. Es wird ein Aus¬ schaltbefehl an den Stromregler 212 für den positiven Basisstrom erarbeitet und abgegeben und die Einschaltung des negativen Basisstroms verzögert. Der Entsättigungs- pegel am nachgeschalteten Schalttransistor wird über¬ wacht und ausgewertet. Nach Erreichen des vorgegebenen Sättigungspegels wird wiederum die vorbeschriebene Rou¬ tine (auftretende Entsättigung) ausgelöst.

Die Steuerung für den positiven Basisstrom umfaßt einen Pegelsensor, eine Speicherstufe und eine Ausschaltver¬ zögerung im Logikprozessor 218. Der Pegelsensor umfaßt einen Transistor 294, dessen Emitter über einen Wider- stand 284 mit der Diode 232b verbunden ist. Der Kollek¬ tor ist über einen Widerstand 286 angeschlossen. Die Basis ist über einen einstellbaren Widerstand 290 mit der Leitung 282 verbunden, dessen anderes Ende über einen weiteren Widerstand 288 mit den Widerständen 238 bzw.

276 verbunden ist. Parallel zur Serienschaltung der bei¬ den Widerstände 288 und 290 ist eine Parallelschaltung aus einem Kondensator 296 und einer Zenerdiode 292 an¬ geschlossen. Die Speicherstufe umfaßt zwei Transistoren 274 und 298. Der Kollektor des Transistors 298 ist über eine .Serienschaltung aus einer Diode 300, einem Wider¬ stand 302 und einer weiteren Diode 304 mit dem Kollektor des Transistors 274 verbunden. Der Emitter des Transis¬ tors 274 ist mit der Diode 232b verbunden, die über einen^'Widerstand 306 mit der Basis des Transistors 274 in Verbindung steht, mit der auch eine Diode 308 verbunden und über den Widerstand 302 und die Diode 300 mit dem Kollektor des Transistors 298 verbunden ist. ^' Vor der Diode 304 verzweigt sich eine Schaltung, beste- hend aus einer Diode 310, eine Diode 312, einem Wider¬ stand 314 und einer Diode 316. Die Basis des Transis¬ tors 298 ist über zwei Dioden 318 und 320 ange¬ schlossen, _die zusammen mit einem RC-Glied (Widerstand 322, Kondensator 324) die Ausschaltverzögerung bildet. Die Dioden 316, 318 bilden zusammen eine Antisättigungs- schaltung für den Transistor 298. Die Dioden 312, 313 bilden ein ODER-Gatter.

Die Steuerung für den positiven Basisstrom arbeitet fol- gendermaßen. Ein als Schaltverstärker wirkender Transis¬ tor 332 wird über eine Serienschaltung eines Wider¬ stands 326, der mit der Leitung 282 verbunden ist, einer Diode 328 und einer Diode 330 im durchgeschalteten Zustand gehalten, der der bevorzugte Schaltzustand ist. Wird eine vorgegebene Schwelle überschritten, so schaltet der Transistor 294 des Pegelsensors den Transistor 298 durch, der wiederum den Transistor 332 (Schaltverstärker) aus¬ schaltet, sowie den als Verstärker wirkenden Transistor 274 einschaltet. Durch ein Rückkoppelnetzwerk bleibt die Schaltung im stabilen Zustand. Diese Selbsthaltung wird durch Absinken des Energieimpulses auf einen unteren Schwellwert unterbrochen, indem die Basisspannung durch einen Teiler, bestehend aus einem Widerstand 334 und dem Widerstand 314 unter die Durchschaltspannung des Transistors 298 absinkt. Über das RC-Glied 322, 324 wird der Transistor für eine definierte Zeitdauer noch durch¬ geschaltet gehalten. Durch die Entsättigungsüberwachungs- einrichtung wird die Einschaltung des negativen Basis¬ stroms ausgelöst. Wenn die Auslösung in dem vorgegebenen Zeitraum nicht erfolgt, erfolgt die Einschaltung durch die Ausschaltung des Transistors 298. Die Entsättigungs¬ überwachung hat dabei stets Priorität.

Der Stromregler 212 für den Basisstrom umfaßt einen Schaltverstärker im Logikprozessor 218 und ein Leistungs¬ stellglied. Der Schaltverstärker umfaßt zwei Transistoren 336 und 338. Das Leistungsstellglied umfaßt einen Transis¬ tor 340, dessen Emitter mit der Basiselektrode des Schalttransistors 210 verbunden ist und dessen Kollektor an das Einschaltübersteuerungsglied 206 angeschlossen ist. Die Diode 342 ist mit einem Ende auf dem Potential der Basis des Transistors 340 und am anderen Ende auf dem Potential des Kollektors des Schalttransistors 210 gehalten. Die Stromregelung erfolgt über Spannungsabfälle an Dioden. Dabei stellt sich der Strom an der Basis des Transistors 340 derart ein, daß der Spannungsabfall der beiden Dioden- strecken Basis-Emitter im Transistor 340 in Serie mit der Diodenstrecke Basis-Emitter des Schalttransistors 210 gleich dem Spannungsabfall über der Diode 342 und der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors 210 ist. Fällt die Kollektor-Emitter-Spannung, so verringert sich der Basisstrom am Transistor 340, bis das Gleichgewicht wieder hergestellt ist.

Der Stromregler kann mittels des Transistors 332, der den Schaltverstärker bildet, auch während des Betriebs ausgeschaltet werden, ohne daß der Energieimpuls Null werden müßte. Hierdurch ist der Energiebedarf für den negativen Basisstrom erheblich herabgesetzt.

Der Schalter 216 für den negativen Basisstrom, bestehend aus Transistoren 344, 346 wird durch den Ausgang des vor¬ her beschriebenen Logikprozessors 218 angesteuert.

Claims

Ansprüche

1. Transformator, insbesondere Leistungstransformator, in Mantelbauweise, mit einem Kern aus ferromagnetischem Material und zumindest einer Primär- und Sekundärwick¬ lung, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kern (102) möglichst spaltfrei ist, daß zumindest eine Wicklung (124, 126, 128; 126, 128, 138, 140; 148, 150) als Folienwicklung ausgebildet ist, daß die Primär- und Sekundär icklungen mit einer dazwischen liegenden Isolierschicht (130, 132, 134; 130, 132, 134, 142, 144; 130, 152, 144) als Zylinderwicklungen aufeinander gewickelt sind und daß eine stromführende Teilwicklung der Primärwicklung jeweils einer stromf hrenden Teil¬ wicklung der Sekundärwicklung benachbart ist.

2. Transformator nach Anspruch 1, mit mehreren Primär- und/oder Sekundärwicklungen, dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß zwischen einer Primärteilwick¬ lung (124; 124, 138) und dem Kernmittelsteg (106) stets eine Sekundärteilwicklung (126; 136; 148) ange¬ ordnet ist und daß die Wicklungen jeweils durch eine insbesondere folienfδrmige Isolierung (130, 132; 130, 132, 134, 142, 144; 130, 152, 144) von den benachbar¬ ten Wicklungen getrennt sind.

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3. Transformator nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß zwischen der Primärwicklung (124; 124, 138) und dem Außensteg des Kerns eine Sekundär(teil)wicklung (128; 140; 150) angeordnet ist.

15

4. Transformator nach Anspruch 3, mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung, dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß die Sekundärwicklung in zwei Teilwicklungen (126, 128) aufgeteilt ist, zwischen

20 denen die Primärwicklung (124) gewickelt ist.

5. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung, dadurch g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Primärwicklung auf

•25 die Sekundärwicklung gewickelt ist.

6. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß jeweils zwischen Primär- und Sekundärwicklung eine beidseitig

30 isolierte einlagige Metallfolie mit herausgeführtem, mit dem Schutzleiter verbundenem Anschluß vorgesehen ist.

7. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine mög¬ lichst einlagige extern kurzschließbare Wicklung zwischen benachbarten stromführenden Teilwicklungen der Primär- und Sekundärwicklung angeordnet ist.

8. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wick¬ lungsabstand vom Mittelsteg (106) etwa gleich dem Wicklungsabstand vom Außensteg (104, 104') des Kerns ist.

9. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen dem Mittelsteg (106) und der Wicklung ein Wickelkörper (122) aus Isoliermaterial und zwischen der Wicklung und dem Außensteg ein Isolierkörper (134; 146) ange¬ ordnet sind.

10. Transformator nach Anspruch 9, dadurch g e e n n ¬ z e i c h n e t , daß der Wickelkörper (122) rohr- fδrmig ausgebildet ist.

11. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da- durch g e k e n n z e i c h n e t , daß die folien- förmige Isolierung (130, 132, 134, 142, 144, 146, 152) breiter als die Folienwicklung ist.

12. Transformator nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n - z e i c h n e t , daß die folienförmige Isolierung

(130, 132, 134, 142, 144, 146, 152) bezüglich der Folienwicklungen jeweils um etwa 1 mm in der Breite übersteht.

13. Transformator nach einem der Ansprüche 9 bis 12, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen dem Wickelkδrper (122) aus Isoliermaterial und dem Mittel¬ steg (106) und zwischen dem Isolierkörper (134; 146) und dem Außensteg ein geringer Luftspalt vorgesehen ist.

14. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Wick- lungs aterial Kupfer ist.

15. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Kern¬ material Ferrit ist.

16. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kern (102) vom Wickelbandkern-Typ ist.

17. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kern (102) in E-_^E-B'auform ausgebildet ist.

18. Transformator nach Anspruch 17, dadurch g e k e n n - z e i c h n e t , daß die E-Form des Kerns (102) jeweils durch zwei ü-Teile gebildet ist.

19. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 18, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Material der folienför igen Isolierung (130, 132, 134; 130, 132, 134, 142, 144; 130, 152, 144) Kunststoff ist.

20. Transformator nach Anspruch 19, dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß der Kunststoff Hostaphan (PETP) ist.

21. Verwendung des Transformators nach einem der Ansprüche 1 bis 20 als Leistungsimpulsübertrager mit variablem Tastverhältnis.

22. Verwendung des Transformators nach einem der Ansprüche 1 bis 20 als Energieimpulsübertrager zur Ansteuerung von Leistungstransistoren im Floating-Betrieb (Schalt¬ regler-Netzteile) .

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23. Verwendung des Transformators nach einem der Ansprüche 1 bis 20 zur Tastung oder Impulsgruppenübertragung für extrem kurze Impulsverzögerungszeiten.

¹⁵ 24. Verwendung des Transformators nach einem der Ansprüche 1 bis 20 als Rückkopplungstransformator.

25. Verfahren zur Herstellung eines Transformators, ins¬ besondere nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch

-~ g e k e n n z e i c h n e t^" , daß für zumindest eine

Wicklung eine Folienwicklung verwendet wird, daß die Sekundär- und Primärwicklungen als Zylinderwicklungen aufeinander gewickelt werden, wobei zwischen einer Primärwicklung und dem Wickelkörper stets eine Sekun-

²⁵ dar(teiDwicklung angeordnet wird, und daß die Wick¬ lungen derart gewickelt werden, daß eine stromführende Primärteilwicklung jeweils einer stromführenden Sekun¬ därteilwicklung benachbart ist.

³⁰ 26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß zwischen einer Primärwicklung und dem Außensteg stets eine Sekundärteilwicklung an¬ geordnet wird.

³⁵ 27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß jeweils zwischen Primär- und Sekundärwicklung eine beidseitig isolierte

Metallfolie angeordnet wird und deren Anschluß her¬ ausgeführt und mit dem Schutzleiter verbunden wird.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen benach¬ barten stromführenden Teil icklungen der Primär- und Sekundärwicklung jeweils eine möglichst einlagige extern kurzschließbare Wicklung angeordnet wird.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Sekundär(teil)- wicklungen als Folienwicklungen ausgeführt werden.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß für die Isolierung zwischen den (Teil-)Wicklungen Isolierfolie verwendet wird.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wicklungsfolie und eine Isolierfolie zur Isolierung der Windungen voneinander zusammen gewickelt werden.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 31, zur Her- Stellung eines Transformators mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung, dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß a) auf einen Wickelkörper eine erste Sekundärteilwic..- lung und auf diese eine erste Isolierung aufge- bracht werden, b) eine Primärwicklung aufgewickelt und mit einer äußeren, zweiten Isolierung versehen wird, c) eine zweite Sekundärteilwicklung und eine dritte Isolierung aufgebracht werden und d) die Wicklungsanordnung auf dem Transformatorkern montiert wird.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 32, zur Her¬ stellung eines Transformators mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung, dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß a) auf einen Wickelkδrper die Sekundärwicklung .und auf diese eine erste Isolierung aufgebracht werden, b) die Primärwicklung aufgewickelt und mit einer äußeren zweiten Isolierung versehen wird und c) die Wicklungsanordnung auf dem Transformatorkern montiert wird.

34. Verfahren nach Anspruch 33, zur Herstellung eines Transformators mit zwei Primär- und zwei Sekundärwick¬ lungen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß nach Aufbringen der ersten Sekundär- und Primärwick¬ lung und deren Isolierungen auf den Wickelkörper die zweite Primärwicklung und auf diese eine dritte Iso¬ lierung und die zweite Sekundärwicklung und eine vierte Isolierung aufgebracht werden und die Wick- lungsanordnung anschließend auf dem Transformatorkern montiert wird.

35. Verfahren nach Anspruch 34, zur Herstellung eines Transformators mit zwei Primär- und jeweils zwei Sekundärteilwicklungen, dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß auf die dritte Isolierung die dritte Sekundärteilwicklung und eine vierte Isolierung aufgebracht werden, daß dann die zweite Primär- und die vierte Sekundärteilwicklung mit einer fünften und sechsten Isolierung aufgebracht werden und die Wick¬ lungsanordnung anschließend auf dem Transformatorkern montiert wird.

36. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 35, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Transformator in Mantelbauweise hergestellt wird.

37. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 36, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wicklungsan¬ ordnung vor der Montage auf dem Transformatorkern ge¬ tränkt oder imprägniert wird.

38. Anordnung zur Untersuchung der Leistungsübertragung über den magnetischen Kern eines Transformators, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Trans¬ formator mindestens zwei schmale hohe Wickelkammern aufweist und daß die Primärspule (8) und die Sekundär- spule (10) auf demselben Innensteg (12) des Kerns (2) räumlich voneinander getrennt angeordnet sind.

39. Verfahren zur Untersuchung der Leistungsübertragung über den magnetischen Kern eines Transformators, da- durch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Trans¬ formator mit mindestens zwei schmalen hohen Wickel¬ kammern verwendet wird, daß die Primär- und Sekundär¬ spule auf demselben Innensteg des Kerns räumlich voneinander getrennt angeordnet werden und daß der Transformator durch einen Generator mit kleinem

Innenwiderstand mit Taktf equenzen von etwa 20 bis 100 kHz mit Impulsen variierbarer Amplitude und hoher Flankensteilheit angesteuert wird.

40. Treiberstufe, insbesondere für einen Leistungsschalt¬ transistor, mit einer Hilfsspannungsversorgung, einem Stromregler für den Basisstrom des Schalttransistors und einem Einschaltübersteuerungsglied, g e k e n n - z e i c h n e t durch einen Tranformator (230) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 als Schaltspannungs- und Leistungsübertrager für den positiven Basisstrom.

41. Treiberstufe nach Anspruch 40, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Logikprozessor (218).

42. Treiberstufe nach Anspruch 40 oder 41, g e k e n n ¬ z e i c h n e t durch eine Einrichtung zur Ablei¬ tung der Schaltbefehle für die negative Basisspannung aus dem positiven Basisstrom.

43. Treiberstufe nach Anspruch 40 oder 41. g e k e n n ¬ z e i c h n e t durch eine Fremdversorgung mit einer negativen Basisspannung.

44. Treiberstufe nach einem der Ansprüche 40 bis 43 , g e k e n n z e i c h n e t durch eine Laststrom- verzögerungseinrichtung (220), umfassend eine Drossel¬ spule (222) und eine parallel geschaltete Diode (224) in Sperrichtung zum Laststrom.

45. Treiberstufe nach Anspruch 44, dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß die Wicklung der Drosselspule ⁽222⁾ sehr dicht am magnetischen Kern angeordnet ist.

46. Treiberstufe nach Anspruch 44 oder 45, dadurch g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß der Kern der Drossel¬ spule (222) ein Ringkern aus Ferrit ist.

47. Treiberstufe nach einem der Ansprüche 40 bis 46 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Basisstromregler einen zweistufigen Schaltver¬ stärker (336, 338) und ein Leistungsstellglied um¬ faßt, bestehend aus einem Transistor (340) und einem als Diode ausgebildeten Antisättigungsglied (342), die so geschaltet sind, daß der Spannungsabfall der Basis-Emitter-Strecke des Transistors und der Basis- Emitter-Strecke des Schalttransistors (210) gleich dem Spannungsabfall des Antisättiungsglieds und der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors (210) ist.

48. Treiberstufe nach einem der Ansprüche 40 bis 47. g e k e n n z e i c h n e t durch einen Schaltver- stärker, durch den der Basisstromregler jederzeit abschaltbar ist.

49. Treiberstufe nach einem der Ansprüche 40 bis 48, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Strom- regier für die Steuerung des positiven Basisstroms einen Pegelsensor (284 bis 294), eine selbsthaltende Speicherstufe (274, 298 bis 318) und eine Abschaltver¬ zögerung (320 bis 324) mit einem RC-Glied umfaßt.

50. Treiberstufe nach einem der Ansprüche 41 bis 49, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Ent- sättigungsüberwachungsglied im Logikprozessor einen Pegelsensor (236 bis 250) sowie ein Flip-Flop (252 bis 270) umfaßt, in dem der Schaltbefehl bei Über- schreiten eines vorgegebenen Pegels des Basisstroms gespeichert ist.