DE1291388B

DE1291388B - Halbleiteroszillator

Info

Publication number: DE1291388B
Application number: DE1964W0037053
Authority: DE
Inventors: Gardenghi Robert A; Hamburger Theodore
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1963-06-28
Filing date: 1964-06-26
Publication date: 1969-03-27
Also published as: GB1042269A; FR1401685A

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiteroszillator mit mindestens zwei Halbleiterschaltern, von denen jeweils zwei mit ihren Schaltstrecken und einer Gleichspannungsquelle in Serie geschaltet sind, während der Verbindungspunkt der beiden Schaltstrecken an einen Verbraucher angeschlossen ist, so daß die an dem Verbraucher liegende Gleichspannung im Takt einer den Halbleiterschaltern zugeführten Steuerspannung umgepolt wird.

Bei einem bekannten Halbleiteroszillator dieser Art werden Transistoren als Halbleiterschalter verwendet. Der Oszillator difent zur Erzeugung von niederfrequenten Rechteckschwingungen.

Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung eines Oszillators zur Erzeugung kräftiger, vor- X5 zugsweise sinusförmiger elektrischer Wellen im Bereich der Ultraschallfrequenzen, d. h. etwa unter 50 kHz. Es ist bekannt, elektrische Schwingungen durch abwechselnde Ladung und Entladung eines Kondensators über einen mechanischen oder gasgefüllten Schalter zu erzeugen. Diese Schwingungserzeugungsart ist jedoch im allgemeinen auf niedrige Frequenzen beschränkt. So besteht eine bekannte Schaltungsanordnung dieser Art aus mehreren nacheinander umgeladenen Entladekreisen, die mit Hilfe von Schalträdern abwechselnd entladen werden. Die Entladekreise bestehen je aus der Reihenschaltung eines Kondensators und eines induktiven Widerstandes, sind jedoch nicht auf die Eigenfrequenz des Verbrauchers (Antenne) abgestimmt. Die Aufladung ge- '₃₀ schieht aperiodisch.

Die Einführung der gesteuerten Siliziumgleichrichter (Thyristoren) hat an den erwähnten Frequenzbeschränkungen kaum etwas geändert, weil bei höheren Frequenzen und Leistungen der gesteuerte Siliziumgleichrichter wegen der schwierigen Wärmeabführung und der erforderlichen Erholungszeit versagt. Auch bei den obenerwähnten bekannten Schaltungsanordnungen lassen sich Thyristoren nicht ohne weiteres verwenden, da diese, wenn sie einmal geöffnet waren, nicht zu einem beliebigen Zeitpunkt gesperrt werden' können, sondern .nur, durch Unterschreiten einer bestimmten Mindestströmstärke. Die aperiodische Öffnung und Sperrung von mechanischen oder Halbleiterschaltern ist, also mit Thyristoren nicht durchführbar.

Ziel der Erfindung ist es nun, ausgehend von der eingangs erwähnten Schaltungsanordnung einen Halbleiteroszillator zu schaffen, mit dem unter Verwendung von Thyristoren in das Langwellengebiet vorgedrungen werden kann.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß mehrere Seriensohaltungen von gesteuerten Halbleitergleichrichtern (Thyristoren) parallel geschaltet sind, daß der an die. Verbindungspunkte der Schalt-.55 strecken gemeinsam angeschlossene Verbraucher aus einem Parallelschwingkreis besteht, dem ein auf die Eigenfrequenz des Schwingkreises abgestimmter Serienresonanzkreis vorgeschaltet ist, und daß die der Serienschaltungen wird jeder Thyristor nur in einem Bruchteil der Perioden der Eigenschwingung des Parallelschwingkreises zur Energielieferung herangezogen. Dadurch läßt sich die Erholungszeit erheblich verlängern bzw. die Betriebsfrequenz der Anordnung entsprechend steigern. Werden überdies in an sich bekannter Weise in jedem Zweig mehrere, z. B. zwei, gleichphasig gesteuerte Thyristoren in Reihe verwendet, so läßt sich hierdurch die Spannungsbelastung und damit die übertragene Leistung z. B. verdoppeln.

Der so aufgebaute Halbleiteroszillator ist wegen seiner hohen Strombelastbarkeit für den Betrieb eines Endverstärkers, insbesondere des Antennenverstärkers eines Langwellensenders, hervorragend geeignet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Hierin ist

Fi g. 1 ein schematisches Schaltbild einer bezüglich der wesentlichen Merkmale bekannten Anordnung, von der die Erfindung ausgeht, und

F i g. 2 ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 1 zeigt zwei geseuterte Siliziumgleichrichter 12 und 14, die mit einem Impulsformer 13 verbunden sind, dessen Ausgang zu einem Resonanzkreis 20 führt. Im einzelnen ist der Gleichrichter 12 mit Anode 61, Kathode 63 und Steuerelektrode 65 in Reihe mit einem Gleichrichter 14 mit Anode 71, Kathode 73 und Steuerelektrode 75 geschaltet. Die Anode 61 des Gleichrichters 12 liegt über eine Induktivität 10 an einer Klemme 28, an der eine positive Gleichspannung B+ zugeführt wird. Die Kathode 63 ist mit der Anode 71 des Gleichrichters 14 verbunden. Die Kathode 73 ist mit einem Bezugspunkt (Erde) verbunden. Die Steuerelektroden 65 und 75 der beiden Gleichrichter sind je an eine Sekundärwicklung 42 bzw. 52 zweier Transformatoren 40 und 50 angeschlossen. Die Primärwicklungen 41 und 51 dieser Transformatoren sind mit einem Impulserzeuger 30 verbunden, der Auslöseimpulse auf die Steuerelektroden 65 und 75 gibt, um in bestimmten Zeitpunkten die Gleichrichter 12 und 14 zu öffnen.

Die Verbindungsstelle 34 zwischen Kathode 63 und Anode 71 ist mit dem Eingang des Impulsformers 13 verbunden. Der am Ausgang desselben angeschlossene Resonanzkreis 20 besteht aus einer Induktivität 22, einer Kapazität 24 und einem Lastwiderstand 26.

In der dargestellten Ausführungsform ist der Impulsformer an die Mittelanzapfung der Induktivität 22 angeschlossen, er könnte aber auch am oberen Ende des Parallelkreises angeschlossen sein.

Die Anordnung wird durch den Impulserzeuger 30 gesteuert. Zunächst wird der Gleichrichter 12 mittels eines Öffnungssignals an der Elektrode 65 geöffnet, während der Gleichrichter 14 gesperrt bleibt. Der Impulsformer 13 wird oszillatorisch auf eine Spannung aufgeladen, die das Doppelte der Betriebsspannung ist, indem ein Strom von der Klemme 28 über die Ladedrossel 10, den Gleichrichter 12, den Impuls-

einzelnen Serienschaltungen nacheinander im Takt 60 former 13 und die Induktivität 22 zur Erde fließt. Die der Eigenfrequenz des Schwingkreises zur Umladung Induktivität der Drossel 10 ist groß im Vergleich zur

desselben herangezogen werden.

Durch den am Ausgang angeschlossenen Serienresonanzkreis werden Sinusschwingungen erzwungen, die den Parallelschwingkreis zu kräftigen Schwingungen mit seiner Eigenfrequenz anstoßen. Durch die Parallelschaltung mehrerer zur abwechselnden Ladung und Entladung des Resonanznetzwerkes dienen-Induktivität 22 und der äquivalenten Induktivität des Impulsformers 13. Der Impulsformer enthält mindestens eine Induktivität und/oder eine Kapazität oder beide. Der Impulsformer 13 lädt sich ungefähr auf die doppelte Betriebsspannung in einer Zeit auf, die gleich π YLC ist, wobei L der Wert der Ladeinduktivität 10 und C der Wert der vom Impulsformer 13

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dargestellten Kapazität ist. Wenn der Impulsformer spielsweise als Reihenschaltung einer Induktivität 16

13 aufgeladen ist, nimmt die Stromstärke durch den und einer Kapazität 18 gezeigt. Zwischen der AnGleichrichter 12 ab und fällt schließlich auf einen schlußstelle 34 und Erde befinden sich drei parallel-Wert unterhalb des Löschstromes, woraufhin der geschaltete Reihenschaltungen von Siliziumgleichrich. Gleichrichter 12 gesperrt wird. Er bleibt gesperrt, bis 5 tern 14 α und 17 a, 14 b und 17 b und 14 c und 17 c. er wieder durch ein Öffnungssignal an der Elektrode Die drei Reihenschaltungen auf der Lade- und Ent-65 geöffnet wird. In einem bestimmten späteren Zeit- ladeseite bilden zusammen drei Stufen A, B und C, punkt gibt der Impulserzeuger 30 einen Öffnungs- die den Impulsformer 13 in der oben beschriebenen impuls auf die Steuerelektrode 75 des Gleichrichters Weise betätigen. Jedem gesteuerten Gleichrichter ist

14 und macht diesen leitend, woraufhin die im Im- io eine Transformatorwicklung zugeordnet, um ihn zu pulsformer gespeicherte Ladung sich sehr rasch über bestimmten Zeitpunkten zu öffnen, wobei die Gleichden Resonanzkreis 20 in Form eines verhältnismäßig richter einer Reihenschaltung gleichzeitig den Öffkurzen und kräftigen Impulses elektrischer Energie nungsimpuls erhalten. Beispielsweise sind die Gleichentlädt. Die Verwendung des gesteuerten Gleich- richter 12 a und 15 a in Reihe geschaltet und werden richters 12 im Ladezweig des Impulsformers 13 unter- 15 gleichzeitig betätigt, so daß die an Klemme 28 zugestützt den Betrieb des Entladekreises, da der Impuls- führte Gleichspannung überhöht werden kann, ohne former praktisch vollständig entladen werden kann, die Nennsperrspannung der gesteuerten Gleichrichter während eine an Stelle des gesteuerten Gleichrichters zu überschreiten. Natürlich können auch noch mehr

12 verwendete gewöhnliche Ladediode schon leitend als zwei Gleichrichter in Reihe geschaltet werden, würde, sobald die Spannung am Impulsformer unter 20 Das gleiche gilt für die Reihenschaltung der geden Wert der Betriebsspannung B+ fallen würde. steuerten Gleichrichter 14a und 17 a.

Dadurch würde die Pulsfrequenz bzw. Pulsbreite des Im Betrieb werden die Stufen A, B und C nachein-

auf den Resonanzkreis 20 gegebenen Energieimpulses ander geöffnet, so daß die mittlere Stromstärke in

begrenzt. Der Resonanzkreis 20 ist als Parallelkreis jeder Gruppe verringert ist und ein verhältnismäßig

mit hohem Gütefaktor Q ausgebildet und schwach 35 hoher Gesamtstrom dem Impulsformer zugeführt

gedämpft, so daß er beim Auftreten des Energie- werden kann, ohne den Nennstrom eines gesteuerten

impulses während der Entladung des Impulsformers Gleichrichters zu überschreiten. Zunächst werden

13 mit seiner Eigenfrequenz/₀ in Schwingungen ge- also die gesteuerten Gleichrichter 12 a und 15 a rät. Durch nachfolgendes abwechselndes Öffnen der gleichzeitig geöffnet, um den Impulsformer 13 über gesteuerten Gleichrichter 12 und 14 in periodischen 30 Klemme 28 und Ladedrossel 10 aufzuladen. Wie bei Intervallen, beispielsweise in jeder Periode der Eigen- der Ausführungsform nach F i g. 1 steigt die Ladefrequenz /₀, kann der Resonanzkreis 20 zur Aufrecht- spannung am Eingang des Impulsformers 13 auf etwa erhaltung von Schwingungen bei seiner Resonanz- den doppelten Wert der Gleichspannung B+ an. Bei frequenz angeregt werden, so daß er eine reine Sinus- der Aufladung des Kondensators 18 sinkt wieder die Schwingung abgibt. 35 Stromstärke durch die Gleichrichter 12 a und 15 a

Der Resonanzkreis 20 ist nur beispielsweise darge- allmählich ab, bis der Haltestrom erreicht ist, worauf-

stellt. Er kann z. B. die Sendeantenne eines Lang- hin diese Gleichrichter gesperrt werden. In diesem

wellensenders bedeuten. Statt dessen kann er auch als ersten Intervall bleiben die gesteuerten Gleichrichter

Ultraschallschwinger ausgebildet sein. 14 a und 17 a und alle anderen Gleichrichter in den

Die Ladedrossel 10 kann in den Impulsformer ein- 40 Stufen B und C gesperrt. In einem zweiten Zeitinterbezogen sein, so daß der Impulsformer 13 aus einer vall werden die gesteuerten Gleichrichter 14 a und einfachen Drossel in Reihe mit einem Kondensator 17 a gleichzeitig geöffnet, so daß sich der Impulsbesteht, wobei die Drossel sowohl zur Resonanzauf- former 13 rasch entladen kann und einen Energieladung als auch zur Speicherung des Entladeimpulses impuls auf den Resonanzkreis 20 gibt, wodurch diedient. 45 ser zur Schwingung mit seiner Eigenfrequenz /₀ ange-

Bekanntlich haben gesteuerte Siliziumgleichrichter stoßen wird.

eine bestimmte Erholungszeit, bevor sie nach dem Die Kombination der Stufend, B und C wird so Sperren wieder geöffnet werden können. Diese Er- betrieben, daß nach dem Laden und Entladen des holungszeit rührt von der Speicherung von Minori- Impulsformers 13 über die Stufe A die Stufe B zur tätsträgern an den äußeren Sperrschichten während 50 Aufladung und Entladung des Impulsformers in gleides Durchlaßzustandes her. Diese Träger benötigen eher Weise verwendet wird. Danach tritt die Stufe C eine bestimmte Zeit, bis sie ausgeräumt sind. Die in Tätigkeit, usw. So können die einzelnen Stufen sich Länge der Speicherzeit ist im wesentlichen eine Funk- ausreichend erholen, bevor sie wieder in Tätigkeit tion des maximalen Durchlaßstromes und der Ände- treten. Jede Stufe führt nur ein Drittel des dem Imrungsgeschwindigkeit des Durchlaßstromes. Aus die- 55 pulsformer 13 zugeführten Gesamtstromes. Infolgesem Grund muß der Speichereffekt in Betracht ge- dessen kann die Ausführungsform nach F i g. 2 den zogen werden, wenn eine rasche Betätigung benötigt dreifachen Strom wie die Ausführungsform nach wird, da die Speicherung die obere Frequenzgrenze F i g. 1 vertragen, ohne den Nennstrom der gesteuerbeeinflußt, ten Siliziumgleichrichter zu überschreiten. Während

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist aus 60 in Fig. 1 die Energie dem Resonanzkreis in jeder

F i g. 2 ersichtlich. Um höhere Ausgangsleistungen an Periode nur durch ein Paar von Siliziumgleichrichtern

dem Resonanzkreis 20 zu erzielen, sind mehrere ge- zugeführt wurde, wird in F i g. 2 jede Reihenschal-

steuerte Siliziumgleichrichter parallel geschaltet. Zum tung von gesteuerten Siliziumgleichrichtern nur in

Laden dienen drei parallele Reihenschaltungen von jeder dritten Periode herangezogen. Selbstverständ-

je zwei gesteuerten Siliziumgleichrichtern 12 a und 65 lieh kann eine beliebige Anzahl von Stufen zur Aus-

15a, 12b und 15b, 12c und 15c, die sich zwischen führung der Erfindung herangezogen werden,

dem einen Ende der Ladedrossel 10 und dem An- Die Stufen können auch nacheinander derart be-

schluß 34 befinden. Der Pulsformer 13 ist hier bei- trieben werden, daß der Impulsformer 13 über

mehrere Stufen aufgeladen und entladen wird. So läßt sich eine höhere Energie im Resonanzkreis 20 erzielen.

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiteroszillator mit mindestens zwei Halbleiterschaltern, von denen jeweils zwei mit ihren Schaltstrecken und einer Gleichspannungsquelle in Serie geschaltet sind, während der Verbindungspunkt der beiden Schaltstrecken an einen Verbraucher angeschlossen ist, so daß die an dem Verbraucher liegende Gleichspannung im Takt einer den Halbleiterschaltern zugeführten Steuerspannung umgepolt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Serienschaltungen (A, B, C) von gesteuerten Halbleitergleichrichtern (Thyristoren) parallel geschaltet sind, daß der an die Verbindüngspunkte der Schaltstrecken gemeinsam angeschlossene Verbraucher aus einem Parallelschwingkreis (20) besteht, dem ein auf die Eigenfrequenz des Schwingkreises abgestimmter Serienresonanzkreis (13) vorgeschaltet ist, und daß die einzelnen Serienschaltungen nacheinander im Takt der Eigenfrequenz des Schwingkreises zur Umladung desselben herangezogen werden.

2. Halbleiteroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Lade- und Entladezweig jeder Serienschaltung mehrere gleichphasig gesteuerte Halbleitergleichrichter (12 a, 15 a; 14 a, 17 a) in Reihe geschaltet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen