DE1139542B

DE1139542B - Transistor-Rechteckoszillator

Info

Publication number: DE1139542B
Application number: DES72086A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Erich Krestel; Erich Rainer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1961-01-17
Filing date: 1961-01-17
Publication date: 1962-11-15
Also published as: GB952243A; CH389021A

Description

Transistor-Rechteckoszillator Rechteekoszillatoren mit Transistoren sind bereits in verschiedenen Ausführungsformen bekanntgeworden. Sofern es sich dabei um die Erzeugung von Rechteckwellen aus Gleichstrom handelt, ist man von einer Grundschaltung ausgegangen, die zwei im Gegentakt auf einen Transformator arbeitende Transistorem enthält. Die Steuerkreise werden an Sekundärwicklungen des Transformators angeschlossen, während der Verbraucher an eine weitere Sekundärwicklung geschaltet ist.
Die Wirkungsweise der bekannten Rechteckoszillateren beruht darauf, daß während des Ummagnetisierungsvorganges im Transformator in der Sekundärwicklung eine Steuerspannung induziert wird, die, den jeweils stromführenden Transistor offenhält, bis die Flußzunahme im Transformator aufhört. In diesem Moment wird der Stromfluß unterbrochen, und der Fluß im Transformator kehrt auf den Remanenzwert zurück. Dabei wird in den Steuerwicklungen eine Spannung induziert, die, den bisher stromführenden Transistor sicher sperrt und den bisher gesperrten Transistor. öffnet. Es beginnt daraufhin die Ummagnetisierung in die entgegengesetzte Richtung.
Das Aufhören der Flußzunahme kann entweder auf einer Sättigungserscheinung im Transformatorkern oder einer Begrenzung des Transistorarbeitsstromes beruhen. Wird im Laufe der Ummagnetisierung der Sättigungsknick der Magnetisierungslinie erreicht, so kann der Fluß nicht weiter zunehmen. Derselbe Effekt tritt ein, wenn noch im lincaren Bereich der Magnetisierungslinie, der auf Grund des Steuerstromes des Transistors maximal mögliche Arbeitsstrom erreicht wird.
Derartige Rechteckoszillatoren eignen sich für verschiedene Zwecke der Meß-, Steuer- und Regeltechnik. Die Frequenz der erzeugten Schwingungen kann durch Änderung der Speisespannung des Taktgebertransformators oder durch Vormagnetisierung des Transformatorkerns, stufenlos geändert werden. Dies ist von besonderer Bedeutung für die Steuerung der Drehzahl von Wechselstrommotoren, insbesonderf,- von Kondensatorinotoren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rechteekoszillator zu schaffen, der als Frequenzvervielfacher mit beliebig einstellbarer Frequenz für die Speisung eines nachgeschalteten Wechselstronirnotors. geeignet ist. Letzterer hat der wählbaren Frequenz entsprechend eine verstellbare Drehzahl, die weit über 3000 U/min liegen kann.
Die Erfindung geht von einem Rechteckoszillator mit zwei in Reihe an eine symmetrische Speisespannun- angeschlossenen Transistoren aus, die abwechel selnd auf einen zwischen die Mittelpunkte der Speisespannung und der Transistoren geschalteten sättigbaren Transformator arbeiten und deren Steuerkreise an Sekundärwicklungen des Transformators angeschlossen sind. Die Erfindung besteht darin, daß der Transistorstrom in einen Speisestrom für den Taktgebertransformator und in einen den parallel zur Primärwicklung des Transformators angeordneten Verbraucherwiderstand durchfließenden Laststrom aufgeteilt und derart begrenzt ist, daß wenigstens in einem Teil des Belastungsbereichs die Umsteuerung der Transistoren vom Erreichen des, Transistorgrenzstromes eingeleitet wird und somit die Frequenz mit steigender Belastung zunimmt.
Die Begrenzung des Transistorstromes geschieht zweckmäßig über den Steuerstrom, indem das übersetzungsverhältnis des Transformators mit dem Gesamtwiderstand im Transistorsteuerkreis abgestimmt wird. Es ist dann möglich, den aus dem Kennlinienfeld des Transistors ermittelten, zu dem gewünschten Arbeitsstrom gehörenden Steuerstrom zu erzeugen.
In Anwendung der Erfindung auf die Speisung von Induktionsmotoren kann also nach Beheben ein Nebenschlußverhalten oder sogar eine Zunahme der Drehzahl bei steigender Last erzielt werden.
Nähere Einzelheiten der Erfindung seien im folgenden an einem Ausführungsbeispiel beschrieben, das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist.
Dem Ausführungsbeispiel liegt die Verwendung des Rechteckoszillators als Frequenzumsetzer zugrunde, d. h., die Speisegleichspannung wird aus einem Wechselstromnetz 1, 2 mit Hilfe eines Gleichrichtersatzes 3 und zweier Glättungskondensatoren 4 und 5 gewonnen. Zwei Transistoren 6 und 7 arbeiten abwechselnd auf einen Transformator 8, dessen Primärwicklung 9 zwischen die beiden Kondensatoren und den Mittelpunkt der Speisespannung geschaltet ist. Der Steuerkreis des Transistors 6 enthält die Sekundärwicklung 10 des Transformators 8, einen Widerstand 11, der mit einem Kondensator 12 überbrückt sein kann, und die Basisemitterstrecke des Transistors. In analoger Weise ist ein Steuerkreis mit Sekundärwicklung 13, Widerstand 14 und Kondensator15 für den Transistor7 vorgesehen. Als Starthilfe ist in an sich bekannter Weise mittels eines Widerstandes 16 eine Unsymmetrie in die Schaltung eingeführt.
Parallel zur Primärwicklung des Transformators liegt an den Klemmen 17 und 18 ein Verbraucherwiderstand 19.
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, teilt sich der Strom ic des Transistors 6 in den Speisestrom 'T des Transformators und den Laststrom iL auf. Analoges gilt für den Kollektorstrom des Transistors 7, so daß Transformator und Verbraucher an einer annähernd rechteckförinige Wechselspannung UT liegen. Die Amphtude dieser Spannung entspricht etwa der an einem der Kondensatoren 4 bzw. 5 liegenden Gleichspannung, da der Spannungsabfall UcE am geöffneten Transistor vernachlässigbar klein ist.
Wie Fig. 2 zeigt, kann man an die Klemmen 17, is einen Kondensatormotor 20 anschließen, der eine Motorwicklung 21 und eine in Reihe mit einem Pha,senschieberkondensator 23 liegende Motorwicklung 22 aufweist.
Die Gleichrichter 24 und 25 parallel zu den Transistoren 6 und 7 ermöglichen ein kontinuierliches Fließen des Magnetisierungsstromes iT des Taktgebertransformators und verhindern Überspannung an den Transistoren.
Die Wirkungsweise des Rechteckoszillators nach der Erfindung ergibt sich wie folgt: Legt man die Begrenzung des Transistorströmes so hoch, daß die entsprechende Durchflutung bzw. Feldstärke bei Leerlauf (keine Belastung parallel zum Transformator) im Sättigungsbereich der Kennlinie des Kernmaterials liegt, so wird in diesem Falle die Kernsättigung für das Aufhören der Flußzunahme und damit für die Umsteuerung der Transistoren verantwortlich sein. Fig. 3 soll dies veranschaulichen. Sie zeigt die Magnetisierungsschleife eines Kernmaterials. Würde der maximale Transistorstrom eine Feldstärke Hi max hervorrufen, die jenseits des durch Bs angedeuteten Sättigungsknicks liegt, so wird die Umsteuerung schon dann beginnen, wenn dieser Sättigungsknick erreicht wird. Obwohl also der Transistor voll ausgesteuert wird, nimmt sein Arbeitsstrorn den durch den Steuerstrorn an sich eingestellten Höchstwert nicht an.
Bei steigender Last wird nun ein Teil des Transistorstromes als Laststrom LL vom Transformator abgezogen. Dies hat zunächst zur Folge, daß der durch den Steuerstrom eingestellte Höchstwert des Transistorstromes auch tatsächlich erreicht wird, obwohl der Transformatorstrom iT nach wie vor nicht höher werden kann als dem Sättigungsknick entspricht. Wie Fig. 4 zeigt, kann man durch Wahl des Steuerstromes i,3 infolge Änderung der Widerstände 11 und 14 den mixamilen Kollektorstrom ic",., einstellen.
Bei weiterer Zunahme der Last wird nun der Laststrom so groß werden, daß der Transformatorstrom den zum Sättigungsknick Bs gehörigen Wert nicht mehr erreicht. Die Umsteuerung beginnt nun nicht auf Grund einer Sättigangserscheinung im Kern, sondern auf Grund der Tatsache, daß der Transistorstrom infolge seiner Begrenzung nicht mehr höher ansteigen kann. Auch in diesem Falle hört die Flußzunahme im Transformatorkern auf, und der Fluß kehrt auf einen Remanenzwert zurück, der der entsprechenden Hystereseschleife zugeordnet ist. Dies ist in Fig. 3 gestrichelt dargestellt, wobei angenommen ist, daß der Transistorstrom nur eine maximale Feldstärke H2.", im Transformator hervorrufen kann.
Da nun aber die Speisespannung des Transformators unabhängig vom Lastwiderstand etwa konstant bleibt und dadurch der Strom im Transformator immer mit der gleichen Steilheit steigt oder fällt, wird die Ummagnetisierung um so rascher eintreten, je, früher die Flußzunahme im Transformator aufhört. Wenn der Lastwiderstand einen so hohen Strom zieht, daß für den Transformator nur noch ein geringer Restbetrag zur Verfügung steht, wird der Fluß schon nach kurzer Zeit nicht mehr ansteigen und die Umsteuerung eingeleitet. Dadurch erhöht sich die Schwingfrequenz des Rechteckosillators.
Dies zeigt ein Vergleich der Fig. 5 und 6. Der Schwankungsbereich des Transformatorstromes 'T ist in Fig. 5 infolge einer kleineren Belastung wesentlich größer als in Fig. 6, während die Steilheit von Anstieg und Abfall die gleiche geblieben ist. Einer höheren Belastung entspricht eine höhere Schwingfrequenz bei gleichbleibender Amplitude der Rechteckspannung.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Schwingfrequenz so lange konstant bleibt, als für den Beginn der Umsteuerung das Erreichen des Sättigungsknicks (BS in Fig. 3) verantwortlich ist. Erst dann, wenn das Aufhören der Flußzunahme auf die Begrenzung des Transistorstrornes zurückgeht, beginnt die Schwingfrequenz mit steigender Belastung zuzunehmen. Durch geeignete Wahl des Höchstwertes für den Transistorstrom kann man also erreichen, daß im Beginn des Belastungsbereichs die Frequenz mit steigender Belastung konstant bleibt, um später zuzunehmen. Andererseits ist es jedoch auch möglich, die Schwingfrequenz schon von Anfang an mit steigender Belastung ansteigen zu lassen. Zu diesem Zweck ist der Transistorstrom so zu begrenzen, daß im Leerlauffall gerade der Sättigungsknick -erreicht wird.
Es ist auf einfache Weisem möglich, die Kennlinienabschnitte so aufeinander abzustimmen, daß die Drehzahl eines Schlupf behafteten Induktionsmotors bei steigender Belastung etwa konstant bleibt (Nebenschlußverhalten) oder sogar ansteigt. Da sich mit steigender Belastung des Motors auch der Schlupf erhöht, wird es im allgemeinen zweckmäßig sein', die Schwingfrequenz des Wechselrichters bei größer werdender Belastung leicht zunehmen zulassen, um annähernd konstante Drehzahl zu erzielen.
Die Einstellung der Grundfrequenz für den Leerlauffall kann auf beliebige bekannte Weise, etwa durch Einstellen der Speisespannung, gewählt werden. Ferner ist es möglich, das übersetzungsverhältnis des Transformators und dadurch den Maximalstrom des Transistors zu ändern oder auch die Widerstände 11 und 14 im Steuerkreis einstellbar zu machen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Rechteckoszillator mit zwei in Reihe an eine symmetrische Speise-spannung angeschlossenen Transistoren, die abwechselnd auf einen zwischen die Mittelpunkte der Speisespannung und der Transistoren geschalteten sättigbaren Transformator arbeiten und deren Steuerkreise an Sekundärwicklungen des Transformators angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorstrom (ij in einen Speisestrom (iT) für den Taktgebertransformator und in einen den parallel zur Primärwicklung des Transformators angeordneten Verbraucherwiderstand durchfließenden Laststrom UL) aufgeteilt und derart begrenzt ist, daß wenigstens in einem Teil des Belastungsbereichs die Umsteuerung der Transistoren vom Erreichen des Transistorgrenzstromes eingeleitet wird und somit die Frequenz mit steigender Bel'astung zunimmt.
2. Rechteckoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorstrom (ij über den Steuerstrom (iu) begrenzt ist, indem das übersetzungsverhältnis des, Transformators (8) mit dem Gesamtwiderstand im Transistorsteuerkreis abgestimmt wird. 3. Rechteckoszillator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Last ein Wechselstrommotor dient.