DE1086746B - Gegentakttransistorverstaerker fuer rechteckfoermige Wechselstroeme - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkervorrichtung zum Verstärken von Spannungen mit rechteckiger Kurvenform, bei denen Transformatoren verwendet werden, deren magnetische Kerne eine im wesentlichen rechteckförmige Magnetisierungskurve besitzen.

Zur Verstärkung einer Folge von Impulsen mit einer im wesentlichen rechteckigen Kurvenform ist es bekannt, einen Gegentaktverstärker mit einem transformatorgekoppelten Eingang und einem transformatorgekoppelten Ausgang zu verwenden. Schaltvorrichtungen, wie z. B. Transistorschalter, werden zwischen die Transformatoren zwischengeschaltet. Solch einebekannte Anordnung ist in Fig. 1 veranschaulicht und wird ausführlicher nachstehend beschrieben.

In Verbindung mit solchen Vorrichtungen ist es vorteilhaft, ein Material mit einer rechteckförmigen Magnetisierungsschleife für den Ausgangstransformator zu verwenden. Die Gründe hierfür sind, daß die Hystereseverluste im magnetischen Material durch die Verwendung eines Werkstoffes mit rechteckförmiger Schleife gewöhnlich stark verringert werden und daß es möglich ist, schärfere Ausgangsimpulse zu erzeugen, da das Material mit rechteckförmiger Schleife sehr geringe magnetische Speicherwirkung zeigt.

Der hauptsächliche Grund, weswegen solche Verstärker nicht weitgehende \^erwendung gefunden haben, ist der, daß der Mittelwert der zugeführten Impulse genau auf Null gehalten werden muß und daß die Charakteristiken der Transformatoren sorgfältig einander angepaßt werden müssen. Sonst kann es nämlich vorkommen, daß der Ausgangstransformator in der einen oder der anderen Stromrichtung in den Sättigungsbereich gelangt, wodurch sein Scheinwiderstand auf einen äußerst niedrigen Wert absinkt und die Gefahr besteht, daß die Transistoren durch die sich ergebende äußerst hohe Stromstärke zerstört werden.

Ein weiterer Grund ist der, daß mit großer Wahrscheinlichkeit die Transistoren bis zur völligen Zerstörung beschädigt werden würden, wenn die Höhe der Betriebsspannung sich so verringern würde, daß ein Betrieb im Gebiet der Verstärkerklasse A stattfinden würde. Die infolge davon auftretende Zunahme der Erwärmung des Transistors würde fast unvermeidlich weit über seiner größten Belastbarkeit liegen.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile und erlaubt, einen Gegentakttransistorverstärker zu schaffen, an dessen Ausgang Wechselspannungen mit rechteckiger Kurvenform entstehen und bei dem die Transistoren nicht mehr gefährdet sind. Nach der Erfindung ist der Verstärker mit einem Ausgangstransformator versehen, der ein magnetisches Kernmaterial mit einer rechteckigen Magnetisierungskurve aufweist, wobei die Schaltvorrichtungen (Transistoren) vor unzu-Gegentakttransistorverstärker
für rechteckförmige Wechselströme

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 4. November 1955

Riehard L. Bright, Adamsburg, Pa.,

und Richard O. Decker, Pittsburgh, Pa. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

lässig hohen Strömen auch dann geschützt sind, wenn das Kernmaterial des Ausgangstransformators in den Sättigungszustand gelangen sollte.

Die Erfindung hat einen Verstärker der Klasse C zum Gegenstand, bei dem Sperrschichttransistoren gegen übermäßige Beanspruchung geschützt sind, wie sie bei Verstärkern im Bereich der Klasse yi in Erscheinung treten würden. Die Erfindung ermöglicht außerdem, Transistorverstärker mit verbesserten Betriebscharakteristiken zu schaffen. Schließlich ermöglicht die Erfindung noch, Ausgangsspannungen zu erzielen, deren Kurvenform einen weitgehend rechteckigen Verlauf aufweist und bei einer Eingangsspannung von rechteckigem Kurvenverlauf diese Kurvenform nach Möglichkeit noch in ihrer Exaktheit übertrifft.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einem derartigen Gegentakttransistorverstärker jeder Steuerstromkreis eine Rückkopplung aus dem Ausgangsstromkreis besitzt und zugleich in Reihe mit der Steuerstrecke jedes Transistors je eine Diode mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung gegenüber der des Transistors (Zenerdiode) mit unterhalb des Scheitelwertes der wirksamen Steuerspannung liegender Zenerspannung angeordnet ist, die bei Überschreiten bzw. Unterschreiten der Zenerspannung durch die Steuerspannung derart plötzlich den Steuerstromfluß freigibt bzw. sperrt, daß in Zusammenwirken mit der Rückkopplung Ausgangswechselspannungen mit weitgehend rechteckförmigem Verlauf entstehen. Bei Verwen-

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dung eines Ausgangstransförjnatorä kann je eine zu- nung mit einer nichtrechteckigen Kurvenform, wie sätzliche Wicklung als Rückkopplungswicklung auf z. B. einer sinusförmigen, zu erzeugen verlangt wird, dem Ausgangstransformator für jeden Transistor vor- Die Spannungsquelle 1 ist mit der Primärwicklung gesehen sein, die mit dem Teil der Sekundärwicklung eines Transformator 3 gekoppelt, der eine in der Mitte des Eingangstransformators in Reihe geschaltet ist, 5 angezapfte Sekundärwicklung 9 besitzt. Die äußeren welche zur Spannungszuleitung an die Basiselektrode Klemmen der Sekundärwicklung 9 sind jeweils verdes Schalttransistors dient. Die Rückkopplungswick- bunden mit den Basiselektroden 19 und 43 von den lung ist dabei so zu polen, daß sie zur Erzielung einer p-n-p-Sperrschichttrarisistoren 15 und 39. Die Mittelpositiven Rückkopplungswirkung die Steuerspannung anzapfung 9 ist verbunden mit der positiven Klemme unterstützt. io der Vorspannungsquelle 11, deren negative Klemme

Durch die Rückkopplung läßt sich bewirken, daß, an die Emitterelektrode 17 und 45 der Transistoren sobald der jeweilige Transistor stromdurchlässig zu 15 und 39 angeschlossen ist. Die Kollektorelektroden werden beginnt, ein erhöhter Strom in der Primär- 21 und 45 der Transistoren 15 und 39 sind an der wicklung des Ausgangstransformators fließt, so daß äußeren Klemme der Primärwicklung 29 des Ausdas Kernmaterial des Transformators infolge der ver- 15 gangstransformators 35 angeschlossen. Die Mittelstärkenden Wirkung der Rückkopplung in den Sätti- anzapfung der Wicklung 29 ist an die negative Klemme gungszustand gerät. Ein Arbeiten des Transistors im der Vorspannung 31 angeschlossen, deren positive Bereich der Klasse A läßt sich dadurch verhindern. Klemme mit der Emitterelektrode 17 und 45 verbun-

Eine weitere Wirkung der Rückkopplung bei Ver- den ist. Der Transformator 35 hat eine Sekundärwickwendung eines Ausgangstransformators mit sättig- ²⁰ lung 33, deren Klemmen die Ausgangsklemmen des barem Kern besteht darin, den Strom durch den Tran- Verstärkers sind.

sistor zu begrenzen. Sobald nämlich die Sättigung ein- Wie schon erwähnt wurde, ist es vom Standpunkt

tritt, wird in der Rückkopplungswicklung keine Span- der erzielbaren Leistung aus erwünscht, daß der Kern nung mehr induziert. Die Rückkopplungsspannung 23 des Transformators 35 aus Material mit nahezu wird also Null und steuert den Transistor im Sinne ²5 rechteckförmiger Magnetisierungsschleife hergestellt einer Strombegrenzung. ist. Sollten jedoch die Charakteristiken der Transi-

Zur Erzielung einer Ausgangsspannung mit weit- stören 15 und 39 voneinander abweichen oder sollte die gehend rechteckförmigem Kurvenverlauf sieht die Er- Kurvenform derSteuereingangsquellel unsymmetrisch findung Maßnahmen vor, um die Schärfe des Über- sein, so daß ein größerer Kollektorstrom vom Tranganges vom nichtleitenden zum leitenden Zustand und 3o sistor 39 (oder umgekehrt) abgeleitet wird, so würde umgekehrt bei den Transistoren zu vergrößern. Die der Kern 23 im Laufe der Zeit in der einen Richtung Erfindung macht dementsprechend von Zenerdioden (oder in der entgegengesetzten) in ^ Abhängigkeit vom Gebrauch, wobei je eine solche Diode in Reihe mit der Abweichungssinn der Charakteristiken der Transisto-Steuerstrecke jedem Transistor zugeordnet ist. Wich- ren oder von der Lage der Unsymmetrie der Kurventig ist dabei, daß die Zenerspannung unterhalb des 35 form der Eingangsspannung gesättigt werden. Sollte Scheitel wertes der wirksamen Steuerspannung liegt. dies vorkommen, so würde der Scheinwiderstand der Wenn bei Anwachsen der Eingangsspannung diese eine Primärwicklung 29 plötzlich auf einen sehr kleinen Größe erreicht, bei der die -Zenerspannung erreicht ist, Bruchteil seines im ungesättigten Zustand vorhandealso ein Durchschlag in Sperrichtung auftritt, so nen Wertes verringert werden, so daß demzufolge der treibt der plötzlich davon herrührende verhältnismäßig 4° Kollektorstrom auf eine solche Größe anwächst, bei große Sprung des vorher hochohmigen und nunmehr der der eine oder der andere oder beide Transistoren niederohmigen Widerstandsverhaltens der Zenerdiode zerstört würden.

schlagartig den Transistor in einen Bereich von hoher Unter Bezug auf den nunmehr in Fig. 2 dargestell-

Kollektorstromleitung, selbst wenn man die Wirkung ten Gegenstand unserer Erfindung wird die Steuerdes positiven Rückkopplungsweges noch außer acht 45 Spannungsquelle 1 wieder gekoppelt mit der Primärläßt. Umgekehrt wird auch bei Unterschreiten der - wicklung 5 des Steuerspannungstransformators 3. Die Zenerspannung schlagartig der Kollektorstrom auf Mittelanzapfung der Sekundärwicklung 9 ist wieder einen Mindestwerk zurückgehen. Infolge des Zusam- verbunden mit der positiven Klemme der Vorspanmenwirkens von Zenerdioden. einerseits und Rückkopp- nungsquelle11 der Emitterbasis, deren negative lungseffekt andererseits ist es möglich, eine Kurven- 5° Klemme ihrerseits verbunden ist mit den Emittern 17 form der Ausgangsspannung!zu erhalten, die sich einer und 45 der Transistoren 15 bzw. 39. Die Kollektoren Rechteckform sogar noch genauer nähert als dies bei 21 und 41 der Transistoren 15 und 39 sind wieder verder Kurvenform der Eingangsspannung der Fall ist. bunden mit den äußeren Klemmen der Primärwick-

Die Wirkungsweise der Erfindung wird bei Be- lung 29 des Transformators 35. Die Mittelanzapfung trachtung der nachstehenden Beschreibung ersichtlich, 55 der Primärwicklung 29 ist in gleicher Weise mit der die im Zusammenhang mit den Zeichnungen erörtert negativen Klemme der' Emitter-Kollektor-Vorspanwird, bei denen nungsquelle 31 der Transistoren 15 und 39 verbunden.

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Wechsel- Die positive Klemme der Spannungsquelle 31 ist mit Stromverstärkervorrichtung; veranschaulicht, wie sie den Emittern 17 und 45 verbunden,
etwa dem Stand der Technik entspricht; 6o Dk äußere Klemme 8- der Wicklung 9 ist mit der

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild der Erfindung Anode der Halbleiterdiode 13 verbunden, deren Kadarstellt. thode ihrerseits mit der Basiselektrode 19 des Tran-

Unter Hinweis auf Fig. 1 kann die durch die Hin- sistors 15 über eine Rückkopplungswicklung 25 verweisziffer 1 gekennzeichnete Steuerspannungsquelle bunden ist, die auf einen Kern 23 gewickelt ist. In irgendeine Anordnung zur Erzeugung einer recht- 65 ähnlicher Weise ist die andere äußere Klemme 10 der eckigen Kurvenform sein, wie sie nach dem Stand der Wicklung 9 mit der Anode der Halbleiterdiode 51 verTechnik gut bekannt ist...Wahlweise kann an ihrer bunden, deren Kathode ihrerseits mit der Basis 43 des Stelle eine Anordnung zur Erzeugung für nicht- Transistors 39 über die auf dem Kern 23 gewickelte fechteckige Kurvenformen treten, wenn die Spannung Rückkopplungswicklung 49 verbunden ist. Die Halbeiner rechteckigen Kurvenform. aus einer Steuerspan- 7° leiterdioden 13 und 51 sind so ausgesucht, daß sie eine

Rückstromdurchschlagspannung oder Zenerdurchschlagspannung von geringerer Größe haben als die höchste Spannung zwischen der Mittelanzapfung und den äußeren Klemmen der Sekundärwicklung 9, so daß sich der sogenannte Zenerdurchschlag an einem vorher bestimmten Punkt während der Anstiegszeit ereignet.

Die Rückkopplungswicklungen 25 und 49 sind so gewickelt, daß sie eine positive Rückkopplungsspannung an den Basisstromkreis der Transistoren einführen. In der Annahme, beispielsweise daß die Zenerdiodel3 durchgeschlagen ist und so den Transistor 15 leitend macht, wird der Strom durch die obere Hälfte der Wicklung 29 anwachsen und die dadurch entstehende Veränderung des Magnetflusses im Kern 23 in der Wicklung 25 eine Spannung induzieren, die die Basis 19 noch negativer in bezug auf den Emitter 17 macht und den Strom im Kollektorkreis des Transistors vergrößert; in ähnlicher Weise wird bei wachsendem Strom durch den Emitter-Kollektor-Stromleitungspfad des Transistors 39 und durch die untere Hälfte der Wicklung 29 eine Spannung in der Wicklung 49 erzeugt, die die Basiselektrode des Transistors 39 noch negativer in bezug auf dessen Emitter macht.

Die Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung ergibt sich nun wie folgt:

Man nehme an, daß die Kurvenform der Eingangsspannung derart ist, daß die Klemme 8 ein wenig negativ ist bezüglich der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung 9, daß Klemme 10 ein wenig positiv ist bezüglich der Mittelanzapfung und daß die Spannungsdifferenz zwischen ihnen wächst. Da die Basiselektrode 43 positiv bezüglich der Emitterelektrode gemacht wird, wird der Transistor 39 immer mehr in seinen Abschaltbereich getrieben, und in seinen KoI-lektorkreis fließt dann kein Strom. Sobald jedoch die Zenerspannung der Diode 13 erreicht worden ist, wird die Diode durchschlagen, und es wird ein fast sofortiger Impuls des Emitterbasisstromes durch den Transistor 15 entstehen, der den Transistor bei einem hohen Wert des Kollektorstromes sofort leitend macht. Die in der Wicklung 25 induzierte Spannung macht die Basis 19 in Hinsicht auf den Emitter 17 immer mehr und mehr negativ und läßt auf diese Weise den Emitterstrom äußerst schnell anwachsen, bis die Sättigung des KoI-lektorstromes erreicht worden ist. Bei der nächsten Halbperiode, die von der Steuerquelle 1 erzeugt wird, wird der Stromfluß von Emitter 17 zur Basis 19 unterbrochen, sobald die Spannung zwischen der Klemme 8 und der Mittelanzapfung 7 einen höheren Wert, und zwar von entgegengesetzter Polarität erreicht wie die Spannung an den Klemmen der Wicklung 25. Sobald die Zenerspannung der Diode 51 erreicht worden ist, wird die Diode durchschlagen, und die Reihenfolge des in bezug auf den Transistor 15, Wicklung 25 und Diode 13 beschriebenen Vorganges wird sich in bezug auf die Diode 51, Wicklung 29 und Transistor 35 wiederholen.

Im Falle einer Unausgeglichenheit in der Kurvenform der Eingangsspannung, durch die die Sättigung des magnetischen Kernes 23 herbeigeführt wird, wird die an den Wicklungen 25 bzw. 49 induzierte Spannung, durch die der Strom gerade in jenem Augenblick fließt, sofort auf einen sehr niedrigen Wert absinken, und der durch den Transistor fließende Strom wird durch die Spannung in der Hälfte der Sekundärwicklung 9 vermindert, um den Spannungsabfall in der Zenerdiode zu kompensieren. Bei zweckmäßigem Aufbau des Stromkreises wird dieser Strom nur ein kleiner Bruchteil des normalen Basisstromes sein und dadurch den Kollektorstrom auf einen sicheren Wert begrenzen.

Als ein Ergebnis der anwachsenden Wirkung der Zenerdioden 13 und 51 und der Rückkopplungswickluugen 25 und 49 ergibt die an den Klemmen der Sekundärwicklung 33 des Transformators 35 auftretende Ausgangsspannung eine rechteckige Kurvenform mit einer fast senkrechten Wellenstirn. Der plötzliche Impuls des Basisstromes mit seinem äußerst hohen Wert nach einem Rückstromdurchschlag gewährleistet, daß der Durchgang durch das untere Knie des Kollektorstromes über dem Basisstrom des Transistors von äußerst kurzer Dauer sein wird und daß die sich ergebende Abweichung in der rechteckigen Kurvenform der Ausgangsspannung auf das geringstmögliche Maß beschränkt ist.

Wie vorher bemerkt wurde, nähert sich die Ausgangsspannung kraft des guten Zusammenwirkens zwischen der Zenerdiode und der Rückkopplungswicklung gewöhnlich stärker der Rechteckform, als es die Kurvenform der Eingangsspannung tut, wenn der Stromkreis einigermaßen sorgfältig aufgebaut ist.

Die Erfindung soll nicht beschränkt sein auf die besonderen Konstruktionseinzelheiten, Anordnung der Teile oder Schaltungen, die hier aufgeführt sind. Verschiedene Abänderungen sind im Rahmen der Erfindung möglich.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gegentakttransistorverstärker als C-Verstärker zur Abgabe rechteckförmiger Wechselspannungen mit konstant gehaltenem Nullpotential bei Veränderung der zugeführten Signalamplitude unter Verwendung eines Ausgangstransformatorkerns mit rechteckiger Hystereseschleife und Aussteuerung bis ins Sättigungsgebiet, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der beiden Steuerstromkreise eine Rückkopplungsspannung aus dem Ausgangsstromkreis in Reihe mit der Steuerstrecke des Transistors und einer Diode (Zenerdiode) mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung gegenüber der des Transistors mit einer unterhalb des Scheitelwertes der wirksamen Steuerspannung liegenden Zenerspannung angeordnet ist, die bei Überschreiten bzw. Unterschreiten der Zenerspannung durch die Steuerspannung den Steuerstromfluß plötzlich freigibt bzw. sperrt, derart, daß eine Ausgangswechselspannung mit weitgehend rechteckförmigem Verlauf entsteht.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsspannung im Steuerstromkreis kleiner als die Steuerspannung ist.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Steuerstromkreise die Reihenschaltung einer Hälfte der Sekundärwicklung des Eingangstransformators mit der Rückkopplungswicklung des Ausgangsübertragers und einer für beide Steuerstromkreise gemeinsamen Vorspannungsquelle für die Diode liegt.

4. Verstärker nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine einstellbare Vorspannungsquelle.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 570/278 8.60