DE1080141B - Impuls-Transistoroszillator - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft Transistoroszillatoren zur Erzeugung von Impulsen mit einem Paar in Gegentakt geschalteter Transistoren, deren Ausgangskreise je eine Pirmärwicklung eines Ausgangstransformators enthalten, der Rückkopplungswicklungen besitzt, von denen je eine derart in den Eingangskreis eines jeden Transistors geschaltet ist, daß der Ausgangskreis eines jeden Transistors während der leitenden Phase auf seinen Eingangskreis eine positive Rückkopplung ausübt und beim Zusammenbruch des magnetischen FeI-des des Ausgangstransformators — während des nichtleitenden Intervalls — den Eingangskreis des anderen Transistors erregt.

In bekannten Transistoroszillatoren, die im Ausgangskreis eine Induktivität, wie z. B. eine Transfermatorwicklung, verwenden, ist die Transistorvorrichtung einer hohen, in Sperrichtung an den Elektroden auftretenden Spannung ausgesetzt, sobald das magnetische Feld der Induktivität zusammenbricht. Extrem hohe Spannungen an den Elektroden eines Transistors haben bekanntermaßen auf diesen eine zerstörende Wirkung. Dieser Effekt ist besonders in Transistoroszillatoren jener Art ausgeprägt, bei der eine induktive Rückkopplung zwischen Ausgangs- und Eingangskreis sowie transformatorische Kopplung auf eine nachfolgende Stufe angewandt wird.

Wenn ein Transistoroszillator als Stromversorgungsquelle Verwendung finden soll, wie z. B. als Quelle der Anodenbetriebsspannung für Elektronenröhren u. dgl., ist es wünschenswert, den Oszillator mit leistungsstarkem Ausgang zu betreiben. Die Vorteile einer sogenannten Gegentaktschaltung, wenn große Leistung bei gutem Wirkungsgrad abgegeben werden soll, sind schon länger bekannt. Es müssen jedoch Vorkehrungen getroffen werden, um zu hohe Sperrspannungen an den Transistorelektroden zu vermeiden und einen Betrieb des Transistors innerhalb seiner Belastbarkeitsgrenzen bezüglich Strom und in Durchlaßrichtung gepolter Spannung zu gewährleisten.

Bekannt sind Schaltungsanordnungen, bei denen zur Einhaltung der Belastbarkeitsgrenzen des Transistors bezüglich Strom und Spannung zusätzliche Wicklungen auf dem Ausgangstransformator in Verbindung mit Stabilisierungsdioden vorgesehen sind. Diese Dioden müssen jedoch Ausführungen für besonders große Durchlaßströme sein, weshalb für diesen Zweck spezielle Dioden verwendet werden müssen.

Eine andere Möglichkeit der Stabilisierung zwecks Einhaltung der Belastbarkeitsgrenzen besteht darin, Glimmlampen oder belastungsabhängige Widerstände über den Oszillatorausgang zu schalten. Dabei muß jedoch entweder dafür gesorgt werden, daß diese Schaltelemente erst dann in Aktion treten, wenn die zu stabilisierende Spannung einen bestimmten zulässigen Impuls -Transistoroszillator

Anmelder:

General Motors Corporation,
Detroit, Mich. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. W. Müller-Bore und Dipl.-Ing. H. Gralfs,
Patentanwälte, Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 12. Januar 1956

James H. Guyton und Richard L. Jenkins,

Kokomo, Ind. (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

Wert überschreitet, oder es muß bei anderer Auslegung der Schaltung eine ständige zusätzliche Belastung des Transistoroszillators in Kauf genommen werden. Eine weitere Stabilisierungsmöglichkeit, die gleichzeitig die Einhaltung der Belastungsgrenzen der Transistoren überwacht, wird durch eine Schaltungsanordnung erzielt, bei der die Ausgangsspannung mit einer festen Bezugsspannung verglichen wird und die Spannungsdifferenz mittels Dioden auf den Eingangskreis rückgekoppelt wird. Hierbei ist eine Spannungsquelle für die feste Bezugsspannung erforderlich, außerdem die Dioden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Transistoroszillator in Gegentaktanordnung zu schaffen, der von sich aus die in Sperrichtung anstehenden Spannungen an den Transistorelektroden begrenzt.

In Verfolgung der erfindungsgemäßen Ziele ist eine Transistoroszillatorschaltung vorgesehen, welche eine Gegentaktanordnung darstellt und in> der ein Paar Transistoren wechselweise leitend sind. Der Ausgangskreis eines jeden Transistors führt während der nichtleitenden Phase seiner Periode eine Eingangsspannung und einen Eingangsstrom für den anderen" Transistor, um die leitende Phase des Ausgangskreises dieses anderen einzuleiten. Hierdurch wird die in Sperrichtung auftretende Spannung an den Transistorelektroden während der nichtleitenden Phase herabgesetzt. ".

Hierbei wird durch Verwendung eines RC-Netzwerkes in- der Rückkopplungsschaltung jedes Tran-

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sistors ein rascher Anstieg des Rückkopplungsstromes erreicht. Diese gleiche Schaltung gestattet es, den Eingangsstrom jedes Transistors so zu regeln, daß innerhalb der Strom- und Spannungsgrenzen der Transistoren ein hochstzulässiger Rückkopplungsstrom und entsprechend ein maximaler Ausgangsstrom erzielt wird.

Gegenüber dem Bestehenden werden durch diese Schaltungsanordnung gleichzeitig zwei Verbesserungen erzielt. Einerseits wird ein genügend rascher Stromfluß in der Schaltung des einen Transistors ermöglicht, der hinreichend ist, um die im magnetischen Feld gespeicherte Energie abzuleiten und so die inverse Elektrodenspannung am anderen Transistor herabzusetzen, andererseits wird durch ein einfaches geeignetes iiC-Netzwerk im Rückkopplungskreis eine Steigerung der Ausgangsleistung der Oszillatorschaltung erzielt.

Die Erfindung ist mit Bezug auf die Zeichnung nachstehend im einzelnen beschrieben. Die Zeichnung enthält als einzige Figur ein schematisches Schaltbild eines Transistoroszillators . in Gegentaktanordnung.

Der Oszillator kann in geeigneter Weise mit einem Gleichrichter zusammen betrieben werden, um eine relative hohe Gleichspannung aus einer niedrigen Gleichspannungsquelle entstehen zu lassen. Der Oszillator enthält ein Paar Transistoren 10 und 10', die aus einer Spannungsquelle oder Batterie 12 mit Energie versorgt werden und die an einen Ausgangstransformator 14 Wechselstrom abgeben. Eine Gleichrichterschaltung 16 wird von diesem Transformator 14 her gespeist.

Die Transistoren 10 und 10' enthalten je eine Emitterelektrode 18 bzw. 18', je eine Kollektorelektrode 20 bzw. 20' und je eine Basiselektrode 22 bzw. 22'. Beide Transistoren sind p-n-p-Flächentransistoren.

Als Transistoren können gegebenenfalls auch Spitzentransistoren oder n-p-n-Flächentransistoren verwendet werden. In solchen Fällen muß die Schaltung jeweils in bekannter Weise abgeändert werden.

Die Ausgangskreise der Transistoren 10 und 10' sind mit den Primärwicklungen 36 und 37 des Transformators 14 und der Spannungsquelle 12 in einer Gegentaktanordnung zusammengefaßt. Der Ausgangskreis des Transistors 10 erstreckt sich von der Emitterelektrode 18 über den Leiter 24, den Widerstand 26 im Emitterkreis und eine Induktivität oder Drosselspule 28 bis zum Einschalter 30. Von hier aus geht der Kreis weiter zum positiven Pol der Spannungsquelle oder Batterie 12 und dann zu einem Punkt mit Bezugs- oder Massepotential 34. Der Ausgangskreis des Transistors 10 schließt sich über die Primärwicklung 36 des Ausgangstransformators 14 durch eine Verbindung der Mittelanzapfung 40 mit Masse bei 38 und eine weitere Verbindung von Klemme 42 über Leiter 44 Kollektorelektrode 20. In ähnlicher Weise erstreckt sich der Ausgangskreis des Transistors 10' von der Emitterelektrode 18' über den Emitterwiderstand 26., Drosselspule 28, Schalter 30 und Batterie 12 nach dem Massepunkt 34. Der Kreis schließt sich zur Kollektorelektrode 20' hin über die Primärwicklung 37 durch Verbindung der Mittelanzapfung 40 mit Masse bei 38 und andererseits durch die Verbindung der Klemme 46 über den Leiter 48 mit der Kollektorelektrode 20'.

Es sei bemerkt, daß die Emitter-Kollektor-Kreise der Transistoren 10 und 10' einen gemeinsamen Zweig besitzen, der sich über den Emitterwiderstand 25, die Drosselspule 28, den Schalter 30 und die Batterie 12 erstreckt. Ein Paar Kondensatoren 50 und £2 sind voneinander entgegengesetzten Klemmen der Drosselspule 28 aus an Masseanschlüsse 54 bzw. 56 gelegt. Diese Kondensatoren, welche vorzugsweise Elektrolyte sind, bilden zusammen mit der Drosselspule ein 1 ("-Glied, das als Tiefpaßfilter wirkt und jegliche vom Oszillator herrührende Hochfrequenzkomponenten beseitigt. Eine solche Anordnung verhindert das Einstreuen von HF-Komponenten auf benachbarte Schaltungsabschnitte, welche etwa auch von der Batterie 12 mit Energie versorgt werden. Der Widerstand 26 hat, verglichen mit dem Emitterwiderstand des Transistors 10 bzw. 10', einen niedrigen Wert. Er bewirkt eine gewisse Gegenkopplung in den Emitterkreisen und trägt dadurch zur Stabilität des Oszillators gegenüber Temperaturschwankungen bei.

Die Eingangsschaltung eines jeden Transistors enthält einen Rückkopplungskreis, der von dem Ausgangskreis des anderen Transistors her erregt wird und sich zwischen der Emitter- und Basiselektrode befindet. Die Emitterelektroden 18 und 18' der Transistoren 10 und 10' sind über den Leiter 24 zusammengeschaltet und von dort aus gemeinsam über Widerstand 26 und Leiter 58 mit der Mittelanzapfung 60 in der Mitte zwischen den Rückkopplungwicklungen 62 und 63 des Transformators 14 verbunden. Die Rückkopplungswicklungen sind mit den Primärwicklungen 36 und 37 induktiv gekoppelt und werden von diesen her erregt. Der Rückkopplungskreis für den Transistor 10 erstreckt sich von der Klemme 64 der Rückkopplungswicklung 63 zur Basiselektrode 22 über die Parallelschaltung von Widerstand 66 und Kondensator 68 und über den Reihenwiderstand 70. Der Rückkopplungskreis für den Transistor 10' verläuft, ausgehend von der Klemme 72 der Rückkopplungswicklung 62, zu der Basiselektrode 22' über die Parallelschaltung von Widerstand 74 und Kondensator 76 sowie über den Reihenwiderstand 78. Die Widerstände 66 und 74 sind bedeutend größer als die Widerstände 70 und 78, und zwar vorzugsweise um einen Faktor in der Größenordnung von zwanzig. Hierdurch wird der auf die Transistoren 10 und 10' rückgekoppelte Strom gegen Ende seines Anstieges durch die Reihenkombination der Widerstände 66 und 70 bzw. der Widerstände 74 und 78 begrenzt. Der Anfangswert des rückgekoppelten Stromes zu den Transistoren 10 und 10' unterliegt dagegen in erster Linie einer Begrenzung durch die Widerstände 70 bzw. 78, da die Widerstände 66 bzw. 74 durch die Kondensatoren 68 bzw. 76 überbrückt sind, wodurch sie anfänglich einen niederohmigen Leitungsweg für den rückgekoppelten Strom darstellen, bis sie sich aufgeladen haben. Auf diese Weise gestatten die Rückkopplungskreise einen größtzulässigen Rückkopplungsstrom und dementsprechend einen maximalen Ausgangsstrom innerhalb der Strom- und Spannungsgrenzen des Transistors.

Der Eingangskreis jedes Transistors enthält außerdem einen niederohmigen Zweig von der Emitterelektrode zur Basiselektrode, der so wirkt, daß er den Betrieb innerhalb der Strom- und Spannungsgrenzeri des Transistors hält, auch wenn die Betriebstemperaturen des Transistors ansteigen. Ein Anwachsen des Kollektorstromes mit der Temperatur bei Konstantbleiben anderer Faktoren gehört zum Wesen «ler Transistoren. Es kann zueinem thermischen »Davonlaufen« und schließlich zu einer Zerstörung des Transistors führen, sofern eine Kompensation nicht vorgesehen ist. Zu diesem Zweck ist ein Widerstand 80 zwischen die Basiselektrode 22 und die Emitterelektrode 18 geschaltet, und zwar über die Leiter 84 und 86 sowie über den Widerstand 26. In ähnlicher

Weise liegt ein Widerstand 82 zwischen Basiselektrode 22' und Emitterelektrode 18' über Leiter 88 und 86 sowie Widerstand 26. Die Widerstände 80 und 82 sind von niedrigem Wert und schaffen in den Eingangskreisen eine Gegenkopplung, welche mit dem Strom -S des Ausgangskreises ansteigt und diesen auf einem Grenzwert hält.

Die Schaltungsanordnung zur Ingangsetzung des Oszillators enthält einen Widerstand 90, der sich zwischen Leiter 88 und Masseanschluß 92 befindet. Hierdurch wird von der positiven Klemme der Batterie 12 über den Schalter 30, die Spule 28, den Widerstand 26, die Emitterelektrode 18', die Basiselektrode 22' und den Leiter 88 nach dem Masseanschluß 92 hin ein Stromkreis geschlossen.^ Auf ähnliche Weise bestelltes ein Stromkreis größeren Widerstandes von Batterie 12 nach dem Masseanschluß 92 über den Schalter 30, Spule 28, Widerstand 26, Emitterelektrode 18, Basiselektrode 22 und die Widerstände 80, 82 und 90. Nach Schließen des Schalters 30 ist somit der dem Eingangskreis des Transistors 10' zugeführte Startstrom größer als der dem Transistor 10 zugeführte.

Der Ausgang des Oszillators ist mittels des Transformators 14 an die Zweiweggleichrichterschaltung 16 angekoppelt. Die Gleichrichterschaltung enthält in geeigneter Weise eine Doppeldiode 94, deren Anoden 96 und 98 mit den Klemmen 102 bzw. 104 an die Sekundärwicklung 100 des Transformators angeschlossen sind. Die Sekundärwicklung besitzt eine Mittelanzapfung, die bei 106 an Masse liegt. Ein Ladekondensator 124 ist der Sekundärwicklung an den Klemmen 102 und 104 parallel geschaltet. Die Kathode 107 ist mit dem Widerstand 108 verbunden, der mit den Kondensatoren 110 und 112, die bei 114 bzw. 116 an Mass.e liegen, zusammen ein Tiefpaßfilter bildet. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung erscheint an den Klemmen 118 und 120. Letztere ist bei 122 mit Masse verbunden.

Im Betrieb wird die Schwingungserzeugung ausgelöst, wenn der Startschalter 30 geschlossen wird. Hierdurch wird der obenerwähnte Startkreis geschlossen, der sich von dem positiven Pol der Batterie 12 über die Emitter- und Basiselektrode des Transistors 10', den Widerstand 90 und zurück zum negativen Pol der Batterie über die Masseverbindungen erstreckt. Hierdurch kann ein kleiner Startstrom in der niederohmigen Richtung von Emitterelektrode 18' zur Basiselektrode 22' fließen, was einen Ausgangsstrom von Batterie 12 über Emitterelektrode 18' zur Kollektorelektrode 20' und von dort über Leiter 48 und Primärwicklung 37 nach Masse 38 im Gefolge hat. Dieser Strom im Ausgangskreis des Transistors 10' induziert in den Rückkopplungswicklungen 62 und 63 vermöge der induktiven Kopplung mit den Primärwicklungen 36 und 37 eine Spannung. Die relativen Polaritäten der Spannungen an der Primärwicklung 37 und der Rückkopplungswicklung 62 sind in diesem Betriebsaugenblick so, wie in den Zeichnungen angedeutet. Die induzierte Rückkopplungsspannung bewirkt, daß der Strom im Eingangskreis des Transistors 10' ansteigt, worauf ein weiterer Anstieg des Stromes im Ausgangskreis erfolgt. Der Stromkreis für den Rückkopplungsstrom kann folgendermaßen verfolgt werden; er fließt von der Anzapfung60 über den Leiter 58, den Widerstand 26, die Emitterelektrode 18', die Basiselektrode 22', den Widerstand 78 und die Parallelkombination aus Widerstand 74 und Kondensator 76 zurück zur Klemme 72 der Rückkopplungswicklung 62. Der Rückkopplungsstrom wird anfangs durch den kleinen Widerstand 78 und gegen Ende durch den größeren Reihenwiderstand 74-begrenzt, wie zuvor beschrieben. Der Ausgangsstrom erreicht einen Höchstwert, bestimmt durch die Schaltungsparameter, . und die Rückkopplungsspannung geht auf Null zurück..Der Strom im Ausgangskreis über die Primärwicklung 37 nimmt dann sehr schnell ab, wodurch die leitende Phase der Periode für den Transistor 10' beendet ist.

Wenn der Strom im Ausgangskreis in der Wicklung 37 abnimmt, beginnt das magnetische Feld des Transformators zusammenzubrechen, wodurch sich die Polarität der Spannung zwischen der Klemme 46 und der Anzapfung 40 umkehrt. Hierdurch besteht die Neigung, daß während der nichtleitenden Phase der Periode des Transistors 10' eine hohe, in Sperrrichtung anliegende Spannung an den Elektroden dieses Transistors auftritt. Die Spannung an der 'Rückkopplungswicklung 63 wird' jedoch ebenfalls während dieser Phase umgekehrt. Dadurch entsteht ein Eingangsstrom zum Transistor 10 in Durchlaßrichtung zwischen Emitterelektrode 18 und Basiselektrode 22. Dieser Strom in der niederohmigen Durchlaßrichtung wirkt sich dahin aus, daß die in dem magnetischen Feld des Transformators 14 gespeicherte Energie abgebaut wird, wodurch die Spannung in Sperrichtung an den Elektroden des Transistors 10' auf einen ungefährlichen Wert begrenzt wird.

Der Strom im Eingangskreis des Transistors 10 während der nichtleitenden Phase des Transistors 10' leitet eine Stromführung des Ausgangskreises des Transistors 10 ein, und zwar über die Primärwicklung 36. Als Folge davon wird eine Rückkopplungsspannung in der Rückkopplungswicklung 63 zwischen der Klemme 64 und der Anzapfung 60 induziert, welche in diesem Betriebsaugenblick die entgegengesetzte Polarität zu derjenigen aufweist, die in der Zeichnung angegeben ist. Die leitende Phase des Transistors 10 endet mit dem Zusammenbruch des magnetischen Feldes des Transistors 14 in gleicher Weise wie es mit Bezug auf Transistor 10' beschrieben wurde. Damit ist die zweite Halbperiode des Oszillators beendet. Während der nichtleitenden Phase des Transistors 10 polt sich die in der Rückkopplungswicklung 62 induzierte Spannung erneut um, wodurch ein Stromfluß im Eingangskreis des Transistors 10' in der niederohmigen Richtung zwischen Emitterelektrode 18' und Basiselektrode 22' hervorgerufen wird. Dieser Strom wirkt so, daß er die an den Elektroden des Transistors 10 auftretende, in Sperrrichtung gepolte Spannung begrenzt. Die zweite Periode des Oszillators wird durch den Eingangsstrom zum Transistor 10' angefacht; die eben beschriebene Wirkung wiederholt sich in rascher Folge, und es entstehen somit anhaltende Schwingungen in der Primärwicklung des Transformators 14.

Die in der Sekundärwicklung 100 induzierte Spannung wird in bekannter Weise durch die Schaltung 16 gleichgerichtet. Die am Ausgang an den Klemmen 118 und 120 erscheinende Gleichspannung kann an jede gewünschte Nutzlast angelegt werden.

Obgleich sich die vorstehende Beschreibung auf eine besondere Ausführungsform bezog, sind zahlreiche Abänderungen und Abwandlungen für den Fachmann denkbar.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Transistoroszillator zur Erzeugung von Impulsen mit einem Paar in Gegentakt geschalteter Transistoren, deren Ausgangskreise je eine Pri-

märwickluiig eines Ausgangstransformators enthalten, der Rückkopplungswicklungen besitzt, von denen je eine derart in den Eingangskreis eines jeden Transistors geschaltet ist, daß der Ausgangskreis eines jeden Transistors während der leitenden Phase auf seinen Eingangskreis eine positive Rückkopplung ausübt und beim Zusammenbruch des magnetischen Feldes des Ausgangstransformators — während des nichtleitenden Intervalls — den Eingangskreis des anderen Transistors erregt, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis eines jeden der Transistoren (10 und 10') eine Schaltung mit einer Zeitkonstanten aufweist, die einen ersten mit der jeweiligen Rückkopplungswicklung (63 bzw. 62) in Reihe liegenden Widerstand (70 bzw. 78) und einen weiteren Widerstand (66 bzw. 74) enthält, der von einem Kondensator (68 bzw. 76) überbrückt ist und mit dem erwähnten ersten Widerstand (70 bzw. 78) in Reihe liegt, wodurch ein verstärkter Rückkopplungs-Anfangsstrom und damit zusammen ein entsprechend verstärkter Ausgangsstrom erzielt wird.

2. Transistoroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektroden (20 bzw. 20') der Transistoren (10 und 10') an die äußeren Enden (42 bzw. 46) einer mit einer Mittelanzapfung versehenen Primärwicklung (36/37) des Ausgangstransformators (14) und die Basiselektroden (22 bzw. 22') über wenigstens einen Widerstand (70 bzw. 78) an die äußeren Enden (64 bzw.

72) einer mit einer Mittelanzapfung versehenen Rückkopplungswicklung (63/62) des Ausgangstransformators (14) angeschlossen sind, während die Emitterelektroden (18 bzw. 18') über eine Spannungsquelle (12) mit der Mittelanzapfung (40) der erwähnten Primärwicklung Verbindung haben und über einen Widerstand (26) mit der Mittelanzapfung (60) der erwähnten Rückkopplungswicklung verbunden sind.

3. Transistoroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektroden (22 bzw. 22') der Transistoren (10 und 10') über zwei Widerstände (80 bzw. 82) verbunden sind, deren Verbindungspunkt an der Mittelanzapfung (60) der Rückkopplungswicklung des Ausgangstransformators (14) liegt.

4. Transistoroszillator nachAnspruchl, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode (22') des einen Transistors (10') über einen Widerstand (90) mit der Mittelanzapfung (40) der Primärwicklung des Ausgangstransformators (14) verbunden ist.

5. Transistoroszillator nach Anspruch 1 zur Verwendung als Gleichspannungswandler, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugten Impulse in an sich bekannter Weise gleichgerichtet werden.

In Betracht gezogene Druckschriften: /""
USA.-Patentschriften Nr. 2-297-926, 2 64T999;
»Proc. of the IRE«, Januarl955, S..W; Februar 1954, S. 391 bis 401. -"""^

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 9M 787/265 4.6&