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Schaltungsanordnung zum übertragen von Impulsen mit Hilfe eines Impulstransformators
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum übertragen von Impulsen mit
Hilfe eines Impulstransformators, dessen Primärwicklung im Kollektorkreis eines
an seiner Basis durch Impulse angesteuerten Schalttransistors liegt und dessen Sekundärwicklung
in Reihe mit einem Lastwiderstand geschaltet ist.
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Durch die deutsche Auslegeschrift 1 102 806 ist eine Schaltung mit
einem Impulstransformator bekannt, in dessen Sekundärkreis in Reihe zum Lastwiderstand
eine so gepolte Diode liegt, daß der Impulsstrom in Durchlaßrichtung der Diode fließt,
diese also einen kleinen Widerstand hat, und daß der nach Beendigung eines Impulses
beim Abbau des Magnetfeldes durch die Diode in entgegengesetzter Richtung fließende
Strom einen so hohen Widerstand zu überwinden hat, daß die für den Entmagnetisierungsvorgang
maßgebende Zeitkonstante klein genug ist, um die Entmagnetisierung des Transformators
vor dem Einsetzen des nächsten Gleichspannungsimpulses zu beenden. Nachteilig dabei
ist, daß die beim Beginn des Abbaues des Magnetfeldes in den Transformatorwicklungen
induzierten Spannungen sehr viel höher sind als die zum Aufbau des Magnetfeldes
dienende Spannung. Dies führt bei der Verwendung mechanischer Kontakte zur Impulsgabe
zu starker Kontaktabnutzung; bei elektronischen Kontakten mit Schalttransistoren,
wie sie bei sehr kurzen undrasch aufeinanderfolgenden Impulsen notwendig sind, besteht
die Gefahr des Beschädigens des Schalttransistors. Dieser Nachteil steht in vielen
Fällen der optimalen -Auslegung des Impulstransformators oder des Lastwiderstandes
entgegen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltung mit einem Impulstransformator
anzugeben, dessen Magnetfeld ohne unzulässige Spannungsüberhöhung rasch abgebaut
wer_len kann. Die erfindungsgemäße Schaltung ist dadu- -h gekennzeichnet, daß sie
eine in Reihe zum Lastwiderstand liegende Zenerdiode enthält, die so gepolt ist,
daß sie während der Dauer eines Impulses als normale Diode mit niedriger Schwellenspannung
arbeitet und einen sehr kleinen Widerstandswert hat, nach dem Ende des Eingangsimpulses
zunächst während stark ansteigender Induktionsspannungen in den Transformatorwicklungen
bei hoher Schwellenspannung sperrt und beim Erreichen der Durchbruchsspannung leitend
wird und ein weiteres Ansteigen der Induktionsspannungen verhindert.
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Durch die deutsche Patentschrift 958 849 ist eine Schaltungsanordnung
bekannt, bei der in Reihe zu einem Lastwiderstand ein nichtlinearer Widerstand liegt.
Aufgabe und Wirkungsweise dieser Schaltung sind jedoch grundsätzlich anders als
bei. der erfindungsgemäßen Schaltung. Die bei der Schaltung nach Patentschrift in
Reihe zum Lastwiderstand und dem nichtlinearen Widerstand liegende Induktivität
ist nicht Teil eines Impulstransformators, sondern wirkt als induktiver Schalter
für Wechselstrom. Der Kern dieser Induktivität wird durch äußere Mittel so beeinflußt,
dall er in einem Zustand unterhalb seiner magnetischen Sättigung, im anderen Zustand
im Bereich der Sättigung oder in der Krümmung zwischen diesen beiden Bereichen liegt.
Damit bildet die Induktivität im ersten Falle einen großen, im zweiten Falle einen
kleinen Wechselstromwiderstand. Ein solcher induktiver Schalter ist beispielsweise
durch die deutsche Patentschrift 628 432 bekannt. Beim Anlegen einer Wechselspannung
an die Reihenschaltung von induktivem Schalter und Lastwiderstand fließt im zweiten
Falle ein infolge der nichtlinearen Magnetisierungskennlinie stark verzerrter Wechselstrom
mit kurzen Halbwellen großer Amplitude einer und mit langen Halbwellen kleiner Amplitude
der anderen Polarität, im ersten Falle ein nahezu unverzerrter Wechselstrom. Durch
das Einfügen des nichtlinearen Widerstandes mit einer symmetrisch zur Nullinie verlaufenden
Kennlinie wird im ersten Falle der nahezu unverzerrte Wechselstrom stärker verzerrt,
bleibt jedoch ein Wechselstrom mit etwa gleich großen Amplituden in beiden Halbwellen;
im zweiten Fall dagegen überschreiten die kleinen Amplituden des stark verzerrten
Wechselstromes nicht die Schwellenspannung des nichtlinearen Widerstandes und werden
daher praktisch unterdrückt, während die großen Amplituden die
Schwellenspannung
übersc1lreiten und daher nur wenig &eschwächt werden. Das Ergebnis ist -ein
Gleichstrom im Lastwiderstand. Es fließt also durch das Zusammenwirken eines induktiven
Schalters und eines symmetrischen nichtlinearen Widerstandes in einem Stromkreis
mit einer Wechselstromquelle und einem Lastwiderstand bei der einen Schalterstellung
ein Gleichstrom, bei der anderen Schalterstellung ein Wechselstrom. In der Schaltungsanordnung
noch der Patentschrift wird der Lastwiderstand durch ein gleichstromempfindliches
und durch ein we,:#hsPlstromempfindliches Relais gebildet, von denen je nach der
Schalterstellung entwededas eine oder das andere erregt wird. Wesentlich für die
Wirkung der Schaltung ist die Symmetrie des nichtlinearen Widerstandes. ' Damit
sind die Aufgabe und die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach der Patentschrift
trotz Ähnlichkeiten im Ubersichtsstromlauf mit der erfindungsgemäßen Schaltung von
deren Aufgabe und Wirkungsweise gr#;ndsätzlich verschieden. Wesentlich für das Wirken
der Schaltung nach der Erfindung ist der unsymmetrische, nichtlineare Widerstand,
der durch eine Antiparallelschaltung zweier Dioden mit sehr unterschiedlicher Schwellenspannung
verwirklicht werden kann, an deren Stelle jedoch zweckmäßig eine Zenerdiode verwendet
wird.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Zeichnungen näher erläutert.
Dazu dienen F i g. 1 und 2 nur zum besseren Verständnis bei der Erläuterung der
vorliegenden Bediigungen; F i g. 3 zeigt eine Schaltungsanord=iung- gemäß der Erfindung
und dem dazugehörigen Spannungsverlauf, F i g. 4 das Ersatzschaltbild der Anordnung
nach Fig.3a.
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Bei einer Anordnulg nach F i g. l a, bei der der Impulstransformator
U auf der Primärseite von einem Impulsgenerator G mit konstantem Innenwiderstand
Ri gespeist wird« ergibt sich am Lastwiderstand R ein Verlauf der Ausgangsspannung
u2, wie er in F i g. 1 b über der Zeit t dargestellt ist. Der Verlauf der Ausgangsspannung
u2 ergibt sich aus der Überlagerung zweier teilweise gestrichelt dargestellter Einschaltvorgänge
e und -c, die zu den Zeitpunkten t = 0 bzw. t = t1 beginnen und gleiche Amplitude
A, jedoch entgegengesetzte Polarität besitzen. Der Abfall a des Impulsdaches ist
ebenso groß wie die negative Spannung zur Zeit t,.
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Wird, wie in F i g. 2 a, ein Impuls über - einen Schalter T, z. B.
einen Transistor, auf den Impulstransformator Ü gegeben, so kann man auf dessen
Primärseite den Widerstand in erster Näherung vernachlässigen. Mit steigendem Magnetisierungsstrom
steigt der Strom durch den Schalter T, der Impuls am Ausgang des Impulstransformators
Ü besitzt praktisch keine Dachschräge, wie aus F i g. 2b hervorgeht, in der der
Verlauf der Spannung ul am Ausgang des Impulstransformators dargestellt ist.
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Wird zum Zeitpunkt t, -der Schalter T geöffnet, d. h. der Transistor
gesperrt, so :wird dessen Widerstand praktisch unendlich groß, so daß sich am Lastwiderstand
R eine negative Spannung u2 einstellt, die nach der Gleichung
abklingt. Hierbei bedeutet -
mit U, = Primärspannung des Impulstransformators, L = Hauptinduktivität des Impulstransformators
und @i = 1 = Ubersetzungsverhältnis des Impulstransformators.
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Da der Impulstransformator Ü keine Gleichspannungskomponente .übertragen
kann, gilt außerdem fUdt=0, so daß sich für die Spannungs-Zeit-Flächen F, und FZ
ergibt F, = Ui . il-F2=U-a. Soll nun der Magnetisierungsstrom in jeder
Impulspause bis auf Null abnehmen, damit sich der Arbeitsbereich auf der Magnetisierungskennlinie
nicht bis in den Bercich der Sättigung verschiebt, und wird weiter vorausgesetzt,
daß der Magnetisierungsstrom in einer Zeit, die gleich der dreifachen Zeitkonstante
z ist, genügend gut abgeklungen ist, dann ergibt sich für ein Impuls-Pausen-Verhältnis
von 1 : 1 die Bedingung FI=?Ul.. In vielen Fällen ist es schwierig, Lastwiderstand
R; Zeitkonstante -c und Leistungsfähigkeit des Schalters T diesen_ Bedingungen anzupassen.
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Bei einer Anordnung gemäß der Erfindung nach F i g. 3 a ist es durch
Einfügen einer Zenerdiode Z in eine Schaltungsanordnung nach F i g. 2a möglich,
Impulse auch unter der Bedingung zu übertragen, daß fdr das Abklingen des Magnetisierungsstromes
nur eine Zeit t2 zur Verfügung steht, die kleiner ist als die dreifache Zeitkonstante
-c.
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Für die Durchbruchsspannang UZ der Zenerdiode Z gilt nämlich, wenn
man für den Abschaltvorgang von der in F i g. 4 dargestellten vereinfachten Ersatzschaltung
der erfindungsgemäßen Anordnung ausgeht:
mit i = Magnetisierungsstrom.
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Setzt man in die Lösung dieser Differentialgleichung die Randbedingung
für den Magnetisierungsstrom i ein, der im Augenblick des Abschaltens des Schalters
T nach einer Impulsdauer t, der Bedingung
gerügt und zu einem Zeitpunkt t., nach dem Abschalten Null sein soll, so ergibt
sich:
Der Verlauf der Spannung u2 auf der Sekundärseite des Impulstransformators
U ist in Fi g. 3b in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt.
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Man erkennt, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung der größte Teil
der Spannung % nach dem Abschalten des Schalters T an der Zenerdiode 7 abfällt,
während am Lastwiderstand R nur ein kleiner negativer Impuls auftritt, der beispielsweise
für die schnelle Sperrung von Transistoren im Ausgangskreis des Impulstransformators
Ü günstig sein kann.
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Die Schaltungmnordnung kann in einfacher Weise den fallweise vorliegenden
Betriebsbedingungen, vor allem der Impulsfolgefrequenz und dem Tastverhältnis, d.
h. im wesentlichen der Dauer der Impulspausen durch Wahl einer Zenerdiode mit einer
diesen Verhältnissen entsprechenden Durchbruchsspannung angepaßt werden, so daß
der Strom zum Entmagnetisieren des Kernes des Impulstransformators nach einer bestimmten
Zeit, spätestens jedoch beim Eintreffen eines neuen Impulses, abgeklungen ist.