DE1018913B - Anordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung steuerbarer Frequenz - Google Patents

Description

Zur Erzeugung einer Wechselspannung, deren Frequenz der Größe einer steuernden Gleichspannung proportional ist, d. h. also> zur Frequenzmodulation mit Gleichspannung, ist bereits eine Anordnung vorgeschlagen worden, wie sie beispielsweise in. Fig. 1 dargestellt ist. Dabei wird die Wechselspannung an den Klemmen A der Sekundärwicklung 2a eines Transformators 2 abgenommen, der primärseitig die Wicklungen 2 c und. 2 d sowie weitere Sekundärwicklungen 2 b und 2 e besitzt. Die Wicklungen. 2 c und 2 d werden abwechselnd von der Gleichspannungsquelle 1 über die beiden Transistoren. 3 und 4 gespeist. Die Wicklungen: 2 b und 2 e liefern die Steuerspannung für die beiden Transistoren.

In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind n-p-n-Transistoren in der sogenannten emittergeerdeten. Schaltung verwendet. Es ist auch möglich, daß eine andere Transistorschaltung, beispielsweise eine basisgeerdete: Schaltung, verwendet wird. Ebenso können andere Transistortypen, beispielsweise bei entsprechender Umkehrung der Potentiale an die Stelle der dargestellten n-p-n-Transistoren solche vom Typ p-n,-p treten.

Die Wirkungsweise des dargestellten Wechselrichters ist folgende:

Ist beispielsweise der Transistor 3 geöffnet, so liegt an der Wicklung 2 c im Einschaltaugenblick eine Spannung der eingezeichneten Polarität. Der von dieser Spannung durch, die Wicklung 2 c fließende Strom induziert in den Wicklungen 2 b, 2 e und 2 d Spannungen· der ebenfalls eingezeichneten Polarität. Man erkennt, daß die Basis des Transistors 3 eine positive Spannung gegenüber dem. Emitter erhält und dieser Transistor geöffnet ist, der Transistor 4 dagegen infolge negativer Basisspannung gesperrt ist.

In Fig. 2 ist die Hysterasiskurve eines im Transformator 2 verwendeten Eisens dargestellt. Im Augenblick des Öffnens des Transistors 3 möge das Eisen eine Induktion B besitzen,, welche dem Punkt E entspricht. Durch Anlegen der Spannung im eingezeichneten Sinn an den, Wicklungen, wird der Eisenkern ummagnetisiert. Ist die Sättigung im Punkt F erreicht, so verschwindet die Transformatorwirkung, da keine Induktionsänderung mehr stattfindet. Folglich wird in den Wicklungen 2 b, 2d, 2e keine Spannung mehr induziert, so> daß der Transistor 3 schließt und entsprechend der Hysteresiskurve die Magnetisierung des Eisenkernes auf ihren Remanenzwert zurückgeht. Das bedeutet aber eine Feldänderung im umgekehrten Sinn als bisher, folglich wird in den Wicklungen 2 b und 2e eine Spannung mit umgekehrtem Vorzeichen als bisher induziert, Transistor 3 gänzlich gesperrt, der Transistor 4 jedoch geöffnet. Dadurch gelangt die Batteriespannung über diesen Transistor an die Wick-Anordnung zur Erzeugung einer
Wechselspannung steuerbarer Frequenz

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str, 50

Dipl.-Phys. Helmut Schwab, Nürnberg,
ist als Erfinder genannt worden

lung 2 d, und der ganze Vorgang läuft nun im umgekehrten Sinn ab. Für jeden Transformator ist bekanntlich die zur Ummagnetisierung nötige Spannungszeitfläche eine konstante Größe. Durch Wahl oder Änderung der Spannung der Spannungsquelle 1 kann also die Frequenz des geschilderten. Vorganges gewählt oder geändert werden.

Bei der vorgeschlagenen Anordnung gemäß Fig. 1 wird somit eine Wechselspannung erzeugt, deren Größe einer steuernden, Gleichspannung proportional ist, mit Hilfe einer induktiv beeinflußten astabilen Kippschaltung, bei der die Mittelanzapfung einer Transformator-Primärwicklung mit dem einen Pol, die Enden der Primärwicklung über jeweils einen Transistor mit dem anderen Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden sind und. die wechselseitige Aussteuerung der Transistoren in Abhängigkeit, von der Ummagnetisierung des Eisenkernes erfolgt.

In Fig. 3 ist die Abhängigkeit der Frequenz / von der Spannung V der Spannungsquelle 1 dargestellt. Man erkennt, daß die Frequenz mit der Spannung nahezu linear ansteigt. Dabei ist die Aussteuerungsmöglichkeit der Frequenz nach unten hin begrenzt, da der Kippvorgang nur dann einwandfrei arbeiten, kann, wenn die Spannung der Spannungsquelle 1 so hoch ist, daß die in den Wicklungen 2 b und 2 e induzierte Basisspannung mindestens einen Wert erreicht, der so hoch liegt wie der für die vollständige Öffnung der Transistoren 3 und 4 erforderliche Wert. Um den Aussteuerungsbereich zu vergrößern und gleichzeitig eine Linearisierung der in Fig. 3 dargestellten Kennlinie zu erreichen, ist weiterhin bereits vorgeschlagen worden,, in. den die Basisspannung liefernden Stromkreisen weitere Gleichspannungsquellen derart anzu-

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ordnen, daß sie die in. den Wicklungen 2 b und 2 e gen 2 c und 2 rf die Last angekoppelt ist. Die Erfindung induzierten Spannungen unterstützen· Dies kann z. B. zeigt einen Weg, wie bei äußerst günstiger Steuerin der in Fig. 4 dargestellten Art geschehen. Dabei ist steilheit die Steuerleistung möglichst klein und. übereine zusätzliche Spannungsquelle 5 für die Basisvor- dies die Ausgangsspannung konstant gehalten werden spannung beider Transistoren vorgesehen. Die Polari- 5 kann.

tat dieser Spannungsquelle 5 ist so geschaltet, daß sie Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist

die in den Wicklungen 2b und 2e induzierten, die dies dadurch möglich, daß die Polarität der Span-Transistoren öffnenden Basisspannungen unterstützt. nungsquelle 5 in Fig. 4 umgekehrt wird, d. h. also, daß Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die für die Polarität der Spannungsquelle 5 die einin Fig. 3 dargestellte Kurve der Abhängigkeit der io geklammerten Polaritätszeichen Verwendung finden Frequenz f von der Spannung V der Spannungs- und nunmehr die Größe: der Spannungsquelle 1 konquelle 1 bei geringen Spannungswerten noch einen stant gehalten, die Größe der Spannungsquelle 5 daansteigenden Ast besitzt, d. h. also, daß unterhalb gegen verändert wird. Durch diese Schaltung ist die eines Minimums die Frequenz mit fallender Span- von der Spannungsquelle 5 gelieferte Basisvorspannung ansteigt, wie dies beispielsweise in Fig. 3 a dar- 15 nung nicht mehr wie bei der bereits vorgeschlagenen gestellt ist. Besitzt im Augenblick des Öffnens des Anordnung den in den Sekundärwicklungen 2 b und 2e Transistors 3 das Transformatoreisen eine Induk- des Transformators induzierten, öffnenden Basisspantion B, welche dem Punkt E in Fig. 2 entspricht, so nungen zugeschaltet, so daß sie deren Wirkung unterwird der Strom durch die Wicklung 2 c des Transfor- stützt, sondern sie ist ihnen entgegengeschaltet. Damit mators 2 entsprechend der Magnetisierungsschleife 20 wird aber eine grundlegende Änderung des gesamten (Fig. 2) ansteigen, bis er im Sättigungsgebiet ledig- Steuervorganges erreicht. Während bei der l>ereits lieh durch die ohmschen Widerstände des Strom- vorgeschlagenen Anordnung die Kippfrequenz abkreisas begrenzt wird. Infolge dieser ohmschen Wider- hängig ist von der an den Wicklungen 2 c und 2 d anstände wird also bei entsprechend der Hysteresis- liegenden Spannung, welche die Geschwindigkeit beschleife ansteigendem Strom die Spannung an der 25 stimmt, mit der die in Fig. 2 dargestellte Hysteresis-Wicklung2c oder 2 d abnehmen. Es wird somit wäh- kurve durchfahren wird, bleibt diese Spannung und rend dieses Ansteigens des Stromes von der Span- damit die Geschwindigkeit bei der Anordnung nach nungsquelle 1 durch die Wicklung 2 c und den Tran- der Erfindung konstant. Die Änderung der Frequenz sistor 3 die in der Wicklung 2 b induzierte, den Tran- mit Hilfe der veränderlichen Basisvorspannung 5 ersistor 3 geöffnet haltende Basisspannung U_B etwa, nach 30 folgt nunmehr in der Weise, daß die Hysteresisschleife der in Fig. 5 dargestellten Kurve verlaufen. Dabei nicht mehr bis zur Sättigung, d. h. von dem Punkt E möge die Basisspannung U_B zunächst erheblich über in Fig. 2 bis zu dem Punkt F oder darüber hinaus dem zur völligen Öffnung des Transistors 3 erforder- durchfahren wird, sondern daß der Magnetisierungslichen Wert U₁ liegen. Solange die infolge des ab- vorgang beispielsweise beim Punkt G abbricht, da sinkenden. Einschaltimpulses absinkende Basisspan- 35 dann bereits die zum vollständigen öffnen des Trannung noch oberhalb des zur völligen Öffnung des sistors erforderliche Spannung unterschritten wird. Transistors 3 erforderlichen Wertes bleibt, ändert sich Von diesem Punkt G aus erfolgt die Rückmagnetisiean dem Zustand nichts. Ist dagegen die Basisspannung rung entsprechend dem Verlauf der gestrichelt einentsprechend Fig. 5 im Punkt H unter den zur völli- gezeichneten Kurve.

gen Öffnung des Transistors 3 erforderlichen W^rert 40 An Hand der Fig. 5 war bereits erläutert, daß der abgesunken, so kippt die Schaltung sofort um, d. h.. Kippvorgang um so schneller ausgelöst wird, je der Transistor 3 wird ziemlich schlagartig vollständig schneller die Spannung U_B unter die zum völligen geschlossen, während, der Transistor 4 geöffnet wird. Öffnen des zugehörigen. Transistors erforderliche Dieser Kippvorgang spielt sich folgendermaßen ab: Spannung U₁ absinkt. Dieses beschleunigte Absinken Beim Unterschreiten der für die völlige Öffnung des 45 der Spannung U_B ist aber durch die Basisvorspan-TransistOTS 3 erforderlichen Basisspannung U₁ wird nung 5 steuerbar, indem diese Vorspannung der in den der Transistor 3 etwas geschlossen, entsprechend dem Wicklungen 2 & und 2 t? induzierten Spannung entAbfall der Basisspannung. Damit steigen die Span- gegengerichtet ist und somit die zum völligen öffnen nungsverluste am Transistor 3, so daß die Spannung des Transistors erforderliche Spannung U₁ auf die an 2c geringer wird. Dadurch wird die Basisvorspan- 50 Spannung U₁₁ anhebt. Der Kippvorgang wird infolgenung weiter geschwächt, der Transistor 3 weiter ge- dessen bereits beim Punkt G erfolgen, d. h., der Kippschlossen usw., bis sich die Polaritäten an den Wick- vorgang wird vorzeitig ausgelöst und damit die Frehingen 2 & und 2e umkehren, so daß der Transistor 3 quenz erhöht. Durch Änderung der von der Spanganz geschlossen, der Transistor 4 dagegen geöffnet nungsquelle 5 gelieferten Spannung kann also der ist. Es wiederholt sich nunmehr für den Stromkreis 55 Kippunkt auf der Uß-Z-Kennlinie verschoben werden, von der Spannungsquelle 1 durch die Wicklung 2d so daß die Impulslänge L von 100 auf etiva 10% und den Transistor 4 der gleiche Vorgang, wie für den der gesamten Magnetisierungszeit M sinkt. Man erStromkreis durch den Transistor 3 bereits beschrieben. kennt, daß bereits kleine Spannungsänderungen große Es besteht also die Möglichkeit, auch mit sehr kleinen Frequenzänderungen zur Folge haben können. Änderungen der Spannung an 1 — und damit Ände- 6° Zur näheren Erläuterung dieser Frequenzänderung rung der Impulsgröße ■— eine Änderung der Frequenz ist in Fig. 6 die Abhängigkeit der Frequenz / von der zu erhalten, da bei kleinerer maximaler Basisspannung Basisvorspannung U_Bv der Spannungsquelle 5 dar- Uβ der Kippunkt H schneller erreicht wird und folg- gestellt. Zunächst wird eine Änderung der Spannung lieh die Impulslänge sinkt. Dabei ist die Frequenz- Uß_V keine Frequenzänderung hervorrufen, bis die änderung als Funktion der Spannungsänderung der 65 Vorspanung die Höhe: des Knickpunktes H der in Quelle 1 viel größer als im normalen Teil der Kenn- Fig. 5 gezeichneten Kennlinie erreicht. Von diesem linie nach Fig. 3. Der Nachteil einer Steuerung auf Augenblick an jedoch steigt die Frequenz mit wachdiesem Ast der Kennlinie besteht jedoch darin, daß die sender Basisvorspannung entsprechend dem in Fig. 6 steuernde Spannungsquelle 1 auch die gesamte Aus- eingezeichneten. Verlauf an. Gemäß der vorliegenden gangsleistung aufbringen muß, da ja an die Wicklun- 7° Erfindung wird also die Kippfrequenz durch die Höhe

einer der steuernden Sekundärspannung entgegengeschalteten Spannung bestimmt.

Wie bereits oben erwähnt, wird durch die Erfindung erreicht, daß die zur Änderung der abgegebenen Frequenz erforderliche Stauerleistung erheblich kleiner und andererseits die Änderung der Frequenz in Abhängigkeit von der Steuerspannung wesentlich größer wird. Darüber hinaus hat die Anordnung nach der Erfindung noch. den. Vorteil, daß die an der Wicklung 2 a abnehmbaren. Spannungsimpulse von konstanter Größe sind.

Aus den. obigen. Ausführungen ist unschwer zu erkennen, daß die Art des für den Transformatorkern verwendeten Eisens für den Steuervorgang bei der Anordnung nach der Erfindung von nicht unwesentlieber Bedeutung ist. Besonders vorteilhafte Bedingungen ergeben sich gemäß der weiteren Erfindung, wenn für den Transformator ein Eisenkern verwendet wird, dessen. Hysteresisschleife in möglichst großer Annäherung parallelogrammförmig ist, und zwar in der Weise, daß der Magnetisierungsstrom während des Magnetisierungsvorganges schwach ansteigt. Bei linearem Anstieg des Magnetisierungsstromes erfolgt auch die Frequenzänderung linear. Bei sehr schwach ansteigendem Magnetisierungsstrom können bereits kleine Änderungen der steuernden, Basisvorspannung recht erhebliche Frequenzänderungen, bewirken, Eine derartige Hysteresiskurve besitzt beispielsweise eine besonders behandelte Eisen-Nickel-Legierung, welche im Handel unter der Bezeichnung Permeno>rm 5000 Z bekannt ist.

Die Erfindung eignet sich für alle Fälle, in denen eine Frequenzmodulation, mit Gleichspannung erfolgen soll. Ein besonders vorteilhaftes Anwendungsgebiet der Erfindung ist beispielsweise ihre Verwendung zur Steuerung von Synchronmaschinen. Außerdem eignet sich die Erfindung aber unter anderem auch zur Modulation einer Wechselspannung mit einer anderen Frequenz, beispielsweise indem an die Stelle der Gleichspannungsquelle 5 eine Wechselspannungsquelle der gewünschten bzw. einer veränderlichen Frequenz (z. B. Sprache) eingeschaltet wird.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung, deren Frequenz der Größe einer steuernden Gleichspannung proportional ist, mit Hilfe einer induktiv beeinflußten astabilen Kippschaltung, bei der die Mittelanzapfung einer Transformatorwicklung (Primärwicklung) mit dem einen Pol, die Enden der Primärwicklung über jeweils einen Transistor mit dem anderen Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden sind und die wechselseitige Aussteuerung der Transistoren in Abhängigkeit von der Ummagnetisierung des Eisenkernes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippfrequenz durch die Höhe einer der steuernden Sekundärspannung entgegengeschalteten Spannung bestimmt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Transformator ein Eisenkern verwendet ist, dessen Hysteresiskurve in möglichst großer Annäherung derart parallelogrammförmig ist, daß der Magnetisierungsstrom während des Magnetisierungsvorganges schwach ansteigt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Steuerung von. Synchronmaschinen.

4. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Modulation einer Wechselspannung mit einer Spannung anderer Frequenz.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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