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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schwingungserzeuger mit
mindestens drei von einer Gleichspannungsquelle aufgeladenen Entladekreisen und
Schaltmitteln, welche die Entladekreise nacheinander impulsweise über einen gemeinsamen,
mit seiner Eigenfrequenz schwingenden Verbraucher entladen.
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Eine solche Erzeugung elektrischer Schwingungen durch abwechselnde
Ladung und Entladung eines Kondensators über einen mechanischen oder gasgefüllten
Schalter ist an sich bekannt, jedoch bisher im allgemeinen auf niedrige Frequenzen
von etwa 60 bis 400 Hz beschränkt. Auch die Einführung der gesteuerten Halbleitergleichrichter
hat an dieser Frequenzbeschränkung zunächst kaum etwas geändert, weil bei höheren
Frequenzen und Leistungen der gesteuerte Halbleitergleichrichter wegen der schwierigen
Wärmeabführung und der erforderlichen Erholungszeit versagt.
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Dies gilt auch für die bekannte Anordnung nach der deutschen Patentschrift
322786, bei der zwei Ladekondensatoren abwechselnd über Entladekreise entladen
werden, die jeweils aus der Reihenschaltung eines Arbeitskondensators, eines induktiven
Widerstandes und eines Schaltradkontaktes bestehen. Die induktiven Widerstände sind
jeweils als Primärwicklungen zur übertragung der erzeugten Impulse auf eine Antennenspule
ausgebildet. Würde man hier die Schaltradkontakte durch gesteuerte Halbleitergleichrichter
ersetzen, so hätten diese keinen definierten Öffnungszeitpunkt und damit auch keine
ausreichende Erholungszeit, weil die einzelnen Entladekreise nicht als abgestimmte
Resonanzkreise ausgebildet sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die Schwingungserzeugung
durch periodische Ladung und Entladung eines Kondensators über gesteuerte Halbleitergleichrichter
für hohe Leistungen und verhältnismäßig hohe Frequenzen brauchbar zu machen, so
daß kräftige, vorzugsweise sinusförmige elektrische Schwingungen im Bereich der
Ultraschallfrequenzen, d. h. etwa unter 50 kHz, erzeugt werden können.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Entladekreise
aus auf die Eigenfrequenz des Verbrauchers abgestimmten Resonanzkreisen bestehen
und daß die Schaltmittel aus gesteuerten Halbleitergleichrichtern bestehen, die
auf den betreffenden Entladekreis im Takt der Resonanzfrequenz abwechselnd einen
Ladestrom und einen entgegengesetzt gerichteten Entladestrom geben, sowie daß die
einzelnen Entladekreise von den zugeordneten Halbleitergleichrichtern derart nacheinander
gesteuert werden, daß im gemeinsamen Verbraucher Impulse abwechselnder Polarität
entstehen, welche die Eigenschwingung des Verbrauchers jeweils in einer Halbwelle
derselben aufrechterhalten.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird also jeder Entladekreis unabhängig
geladen und entladen. Durch den Ladevorgang wird der Entladevorgang zwangläufig
beendet und umgekehrt, so daß die Lade- und Entladeströme in jedem Entladekreis
einen definierten Nulldurchgang haben. Dadurch werden die Halbleitergleichrichter
rechtzeitig gesperrt und haben genügend Zeit, um sich zu erholen, bevor sie das
nächste Mal geöffnet werden.
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Dank dieser Eigenschaften kann ferner eine maximale Energiemenge von
jedem Ladekreis aufgenommen und wieder abgegeben werden. Verlauf und Zeitpunkt der
Entladung können genau auf die Resonanzeigenschaften des Verbraucherkreises abgestimmt
werden.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben.
Hierin ist F i g. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Erfindung, F i g. 2
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Leitwerks, F i g. 3 ein Blockschaltbild
einer anderen Ausführungsform eines Leitwerks zur Ausführung der Erfindung und F
i g. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der einzelnen Energiespeichervorrich
tungen.
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F i g. 1 zeigt eine Energiequelle 12, die mit einer Mehrzahl in gleicher
Weise aufgebauter elektrischer Energiespeichervorrichtungen verbunden ist. Diese
sind mit den fortlaufenden Nummern 1, 2 ... n-1, n versehen und zur Unterscheidung
mit den Bezugszeichen 10, 20, 40 und 50 bezeichnet. Jede Energiespeichervorrichtung
enthält einen Energiespeicher und elektrisch betätigbare Schalter zur Aufladung
und Entladung des Energiespeichers. Die Speichervorrichtungen 10 bis 50 sind über
einzelne elektrische Anschlüsse 11, 21, 41 und 51 mit einem schwingfähigen Verbraucher
60 verbunden. Ein Zeitgeber 14 ist über eine Leitung 15 bzw. eine entsprechende
Verbindungsschaltung an ein Leitwerk 16 angeschlossen. Das Leitwerk ist mit den
Speichervorrichtungen 10
bis 50 über getrennte Anschlüsse 18 bis 58 verbunden.
Das Leitwerk liefert Lade- und Entladeimpulse D1 bis D" und D,' bis Dn an die einzelnen
Speichervorrichtungen 10 bis 50. Diese Steuerimpulse können je nach Bedarf zum entsprechenden
Betätigen der einzelnen Schalter gestaltet und verteilt sein.
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Der Grundgedanke der Erfindung liegt in der Verwendung einer Mehrzahl
von n identischen Speichervorrichtungen 10 bis 50 zum Antrieb eines schwingfähigen
Verbrauchers 60, der als Schwingkreis mit bestimmter Ausgangsfrequenz ausgebildet
sein kann. Wenn eine Speichervorrichtung, z. B. die Speichervorrichtung 10, ein
Signal Dl vom Leitwerk 16 erhält, beginnt diese Vorrichtung elektrische Energie
aus der Energiequelle 12 aufzunehmen und zu speichern. In einem späteren Zeitpunkt
tritt ein Signal D" vom Leitwerk 16 auf, woraufhin die in dieser Vorrichtung gespeicherte
Energie über die Leitung 11 in den Schwingkreis 60 entladen wird. Die Ladung und
Entladung der einzelnen Speichervorrichtungen ist so miteinander verzahnt, daß die
Energie dem Verbraucher 60 impulsweise zu bestimmten Zeitpunkten zugeführt wird.
Beispielsweise können die einzelnen Energieimpulse dem Verbraucher 60 gestaffelt
mit einer Widerkehrfrequenz zugeführt werden, die gleich der Eigenfrequenz des Ausgangsschwingkreises
oder einer Oberschwingung derselben ist. So ergeben sich kräftige Schwingströme
in dem Verbraucher 60. Im Verbraucher wird die Energie aus den einzelnen
Speichervorrichtungen gesammelt und ergibt ein Ausgangssignal sehr hoher Leistung,
obwohl die einzelnen Speichervorrichtungen eine wesentlich geringere Leistungsaufnahme
und Leistungsabgabe besitzen. Da also erfindungsgemäß mit verhältnismäßig einfachen
Mitteln sehr hohe Schwingleistungen erzielt werden können, ist die Anordnung als
Endverstärker für einen Rundfunksender besonders geeignet. Dies gilt insbesondere
für das Langwellengebiet, wo Halbleitervorrichtungen, insbesondere pnpn-Schaltdioden,
die
nachstehend als gesteuerte Gleichrichter bezeichnet werden, statt Vakuumröhren eingesetzt
werden können.
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Die gestaffelte Betätigung der einzelnen Speichervorrichtungen kann
mittels des in F i g. 2 und 3 schematisch gezeigten Leitwerks geschehen. Dieses
besteht im wesentlichen aus einem Ringzähler 35 bekannter Bauart. Der Ringzähler
35 enthält n Flip-Flops, also gleich viele Flip-Flops wie Speichervorrichtungen
gemäß F i g. 1. Es sind wieder die vier Flip-Flops 71, 72, 74 und 75 für die Stufe
1, die Stufe 2, die Stufen -1 und die Stufen gezeigt. Die Flip-Flops 71 bis 75 sind
über Verbindungsmittel 78, 79 und 80 bekannter Art so verbunden, daß Zählsignale
von einer Stufe zur nächsten übertragen werden. Ferner ist die letzte Stufe 75 über
eine Schleife 76 mit der ersten Stufe 71 verbunden, um eine ununterbrochene Zählung
durchzuführen. Ein Signal vom Zeitgeber 14 (F i g. 1) wird den einzelnen Stufen
über eine Leitung 15 zugeführt, um die richtige ; Synchronisierung aufrechtzuerhalten.
Der Ringzähler 35 liefert die Steuersignale D, an der Ausgangsleitung 18, D2 an
der Leitung 28, Dn-1 an der Leitung 48 und An an der Leitung 58. Diese Steuersignale
sind in bekannter Weise so gestaffelt, daß sie die einzelnen Speichervorrichtungen
10 bis 50 in F i g. 1 nacheinander betätigen können.
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F i g. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des Leitwerks. Hier ist
außer dem Ringzähler 35 mit seiner Rückführschleife 76 eine Wählvorrichtung 37 vorgesehen,
welche die Ausgangssignale der einzelnen Zählerstufen empfängt. Mittels der Wählvorrichtung
37 kann die Reihenfolge, in der die einzelnen Speichervorrichtungen 10 bis 50 in
F i g. 1 betätigt werden, verändert werden. Dies kann z. B. zum Modulieren des Ausgangssignals
im Verbraucher 60 dienen.
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F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Speichervorrichtungen 10
bis 50. Jede Speichervorrichtung enthält zwei gesteuerte Gleichrichter oder sonstige
, elektrisch zu betätigende Schalter und einen Serienresonanzkreis, mit einer Induktivität
und einem Kondensator. So enthält die Vorrichtung 10 die gesteuerten Gleichrichter
80 und 82, die in Reihe zwischen der Anschlußklemme 13 einer Gleichspannung und
einem Bezugspotential (Erde) liegen. Die positive Gleichspannung wird der Anode
des Gleichrichters 80 zugeführt, dessen Kathode mit der Anode des Gleichrichters
82 verbunden ist. Die Kathode des Gleichrichters 82 ist geerdet. Ein Serienresonanzkreis
aus dem Kondensator 81 und der Induktivität 62, welche die Primärwicklung eines
Transformators T 1 darstellt, ist parallel zum Gleichrichter 82 geschaltet.
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Ein gesteuerter Gleichrichter wird durch Anlegung eines Öffnungsimpulses
an seine Steuerelektrode geöffnet. Er bleibt dann auch nach Verschwinden des Öffnungsimpulses
leitend, solange ein ausreichender Durchlaßstrom in ihm fließt.
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Wenn nun ein Auslöseimpuls Dl auf die Steuerelektrode des Gleichrichters
80 gelangt, wird der Gleichrichter leitend, so daß Strom von der Gleichspannungsquelle
über den Anschluß 13 und den Gleichrichter 80 über den Speicherkondensator 81 und
die Induktivität 62 zur Erde fließen kann. Hierdurch wird der Kondensator 81 oszillatorisch
auf eine höhere Spannung als die Gleichspannungsquelle aufgeladen, weil die Induktivität
62 vorhanden ist. Nach dem Erreichen der Scheitelspannung versucht sich der Kondensator
81 über den gesteuerten Gleichrichter 80 wieder in die Spannungsquelle 13
zu entladen. Sobald aber der Strom im Gleichrichter 80
durch Null geht, wird
dieser gesperrt, und es kann kein weiterer Strom in der einen oder anderen Richtung
fließen. Nach dem Verstreichen einer ausreichenden Zeit zur Erholung der vorher
betätigten gesteuerten Gleichrichter wird ein Auslöseimpuls Dl' vom Leitwerk auf
die Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters 82 gegeben, so daß dieser leitend
wird und der Kondensator 81 sich über den Serienresonanzkreis aus Kondensator 81
und Induktivität 62 entladen kann. Die gespeicherte Energie wird von der Wicklung
62 auf die Sekundärwicklung 63 des Transformators T 1 übertragen. Die Sekundärwicklung
stellt aber einen Teil des Verbraucherschwingkreises 60 dar. Letzterer ist als Ausgangskreis
eines Rundfunksenders dargestellt und enthält mehrere Induktivitäten 63, 67, 79
und 97, die jeweils die Sekundärwicklungen entsprechender Transformatoren
T l, T2, T n-1 und T n darstellen. Ferner enthält der Schwingkreis
eine Verlängerungsspule 65, einen Kondensator 73, einen Widerstand 68 und eine Antenne
69. Die Verlängerungsspule 65 dient zum Abstimmen der Antenne auf die gewünschte
Sendefrequenz. Der Kondensator 73 ist die verteilte Kapazität des Ausgangskreises,
während der Widerstand 68 den Verlustwiderstand der einzelnen Induktivitäten darstellen
soll.
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Durch selektive Betätigung der Speichervorrichtungen 10, 20, 40 und
50 in vorbestimmter Weise läßt sich eine große Energiemenge unter Verwendung verhältnismäßig
schwach ausgelegter Speichervorrichtungen auf den Verbraucher 60 übertragen, so
daß sich eine hohe Ausgangsleistung ergibt, da jede Speichervorrichtung nur einen
Teil der Gesamtenergie liefert. Da der Verbraucher 60 einen Schwingkreis darstellt,
fließt in ihm ein sinusförmiger Strom.
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Die Tatsache, daß gesteuerte Gleichrichter zwangläufig eine gewisse
Erholungszeit besitzen, macht die vorliegende Erfindung für deren Verwendung besonders
geeignet. Durch gestaffelte Steuerung der Rufladung und Entladung des Kondensators
in den einzelnen Speichervorrichtungen steht genügend Zeit zur Erholung der einzelnen
Gleichrichter zur Verfügung, ohne daß die ständige Leistungszufuhr zum Verbraucher
unterbrochen werden muß. Eine bestimmte Speichervorrichtung bleibt nach ihrer Betätigung
längere Zeit in Ruhe, so daß ihre gesteuerten Gleichrichter ihre Durchlaßeigenschaften
wieder annehmen können, bevor sie erneut in Anspruch genommen werden. Während dieser
Zeit übernehmen nacheinander die anderen Speichervorrichtungen die Energiezufuhr.
Die Amplitude des Ausgangssignals hängt nur von der Anzahl der verwendeten Speichervorrichtungen
ab.
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Die einzelnen Speichervorrichtungen können in verschiedener Weise
ausgeführt sein. Die Ausgestaltungen sind Gegenstand zweier gleichzeitig eingereichter
Patentanmeldungen. Ferner kann im Leitwerk ein Schieberegister oder eine Reihe von
Verzögerungsgliedern (z. B. eine Verzögerungsleitung) zur gestaffelten Erzeugung
der Steuersignale verwendet werden. Zur Erregung des Leitwerks kann ein Oszillator
dienen, beispielsweise ein monostabiler Multivibrator oder möglicherweise auch ein
frei schwingender Multivibrator. Die Modulation des im Ausgangskreis erzeugten Signals
kann bei Amplitudenmodulation
beispielsweise durch Veränderung
der Reihenfolge der Öffnungssignale oder auch durch Veränderung der Speisespannung
geschehen. Eine Phasenverschiebung der Öffnungssignale kann angewandt werden, um
die effektive Amplitude der oszillatorischen Ausgangsspannung teilweise oder ganz
auszulöschen. Eine Phasenmodulation kann durch Phasenänderung des Eingangssignals
für das Leitwerk bewirkt werden, und eine Frequenzmodulation kann mittels Änderung
der Frequenz des Schwingkreises durchgeführt werden.