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DE2018152B2 - Halbleiter-oszillator - Google Patents

Halbleiter-oszillator

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DE2018152B2
DE2018152B2 DE19702018152 DE2018152A DE2018152B2 DE 2018152 B2 DE2018152 B2 DE 2018152B2 DE 19702018152 DE19702018152 DE 19702018152 DE 2018152 A DE2018152 A DE 2018152A DE 2018152 B2 DE2018152 B2 DE 2018152B2
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circuit
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DE19702018152
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Victor Francis London Farrow
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Thorn Lighting Ltd., London
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Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Oszillator in C-Betrieb mit automatischer Vorspannung zur Erzeugung einer Schwingungsspannung bei Anlegen einer Gleichspannung an eine erste und zweite Eingangsklemme mit einem Halbleiterschalter, dessen erste gesteuerte Elektrode mit der ersten Eingangsklemme und eine zweite gesteuerte Elektrode mit einem Schwingkreis verbunden ist, der aus einem ersten Kondensator und einer ersten Spule in Parallelschaltung besteht, wobei die zweite Eingangsklemme mit dem Schwingkreis verbunden ist, und mit einer ersten Rückkopplungsschaltung, die eine zweite mit der Ersten Spule wechselweise gekoppelte Spule besitzt und mit der Steuerelektrode des Schalters verbunden ist.
Ein Beispiel für die Verwendung eines derartigen Halbleiter-Oszillators ist die Umwandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung, die für den Betrieb von Gasentladungslampen geeignet ist.
Bei einem bekannten Oszillator (vgl. das Buch
»Transistor Circuit Engineering«, R. F. Shea, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1957. S. 221, 222, 230 und 231. und den Aufsatz von Da vies und Dunthornc, »The Application of Power Transistors to the Operation of Oas Discharge Lamps from DC Supplies«, Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, Volume 107, Part A, January
I960, S. 273 bis 283) besteht die Kollektorbelastung des Transistors aus einem parallelen LC-Schwingkreis, dessen Induktivität als Transformator-Primärwicklung dient, die mit einer sekundären Wicklung als Belastung und auch mit einer mit der Basis des Transistors zur Aufrechterhaltung der Schwingungen verbundenen Rückkopplungswicklung gekoppelt ist. Die Basis besitzt eine automatische Vorspannungsschaltung, die aus der Parallelschaltung eines Wider-
Standes und eines Kondensatars besteht. Die Werte dieser Bauteile sind jedoch kritisch, wenn einerseits Unterbrechungen der Schwingungen und andererseits ein unwirtschaftlicher Betrieb vermieden werden sollen. Außerdem neigt die Oszillator-Frequenz dazu, sich als Funktion der Belastung zu ändern, was die richtige Auswahl der Werte für die Bauelemente der automatischen Vorspannungsschaltung erschwert.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleiter-Oszillator-Schaltung zu schaffen, die in dieser Beziehung wesentlich unkritischer ist.
Erfindungsgemäß gelingt dies dadurch, daß eine zweite Riickkopplungsschaltung vorgesehen ist, die eine mit der Steuerelektrode verbundene Sekundärwicklung des Stromtransformators einschließt, und daß die Primärwicklung des Stromtransformators zur Erzeugung regenerativer Stromimpulse zwischen dem Halbleiterschalter und der Schwingkreis eingeschaltet ist.
Somit führt der Schalter dem Schwingkreis Stromimpulse unter Steuerung einer zweiten Riickfcopplungsschaltung zu. die einen beträchtlichen Teil der zur Erzeugung der Impulse erforderlichen Riickkopplungsleistung aufbringt, und unter Steuerung der ersten Rückkopplungsschaltung, die zusammen mit der automatischen Vorspannungsschaltung des Oszillators periodische Triggerimpulse synchron zu den Schwingungen des Schwingkreises an die Steuerelektrode legt.
Der Halbleiterschalter ist vorzugsweise ein Tran- »istor, wobei die gesteuerten Elektroden der Emitter Und der Kollektor und die Steuerelektrode die Basis tind.
Die Erfindung wird nun an Hand von Ausfü^rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 ein Schaltungsdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiter-Oszillators und
F i g. 2 ein Schaltungsdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, unter Verwendung zweier in Gegentakt geschalteter Transistoren.
F i g. 1 zeig* ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Kollektor eines n-p-n-Tranfcistors 42 mii einem Oszillatorschwingkreis 16 über eine Primärwicklung 48 eines Stromtransformators ff}> gekoppelt ist. Der Schwingkreis 16 besteht aus einem Kondensator 18 und einer Induktivität 20 rr;l einer Anzapfung. Die Anzapfung 20c ist mit einer zweiten Eingangsklemme 14 über eine Drossel 22. 58 tür Unterdrückung von Schaltvorgängen verbunden. Ein Filtcrkondensator 24 liegt zwischen einer klemme 12 und dem von eier Klemme 14 entfernt liegenden Ende 21 der Drossel 58. Ein Widerstand 28, sin Widerstand 26 und eine Diode 56 sind in Reihe zwischen das Ende 21 und die Klemme 12 geschaltet, Ein Kondensator 30 liegt parallel zum Widerstand 26 und der Diode 56, wodurch eine automatische Vorspannungsschaltung des Oszillators gebildet wird.
Eine erste Riickkopplungsschaltung wird durch eine zweite Induktivität 32 gebildet, die wechselseitig mit der Induktivität 20 gekoppelt ist, wobei ihr eines Ende mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 28 und dem Kondensator 30 und ihr anderes Ende mit der Basis des Transistors 42 über eine Diode 44 verbunden ist, die Rückspannungen blockiert. Der Widerstand 26 kann alternativ auch parallel zur Diode 44 gelegt werden,
Die Induktivität 20 bildet die Primärwicklung eines Ausgangstransformators 34 mit zwei Sekundär-
wicklungen, nämlich der Induktivität 32 und einer Ausgangswicklung 36. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Ausgangswicklung 36 mittels Klemmen 36 a bis 36 rf mit Kathoden 38 a und 38 b einer Gasentladungslampe 38 verbunden.
ίο Im Betrieb wird eine Gleichspannung an die Eingangsklemmen 12 und 14 gelegt, wobei die Klemme 12 bezüglich der Klemme 14 positiv gemacht wird.
Eine zweite Rückkopplungsschaltung zusätzlich zu
der ersten die Spule 32 einschließenden Schaltung wird durch die Sekundärwicklung 52 des Transformators 50 und einen über dessen Enden geschalteten Widerstand 54 gebildet Ein Ende der Wicklung 52 ist mit der Basis des Transistors 42 und das andere
so Ende über eine Diode 56 mit der negativen Schiene verbunden. Der Transformator 50 besitzt einen Ringkern, und die Primär- und Sekundärwicklungen bestehen bei diesem Beispiel aus einer bzw. znhn Windungen.
Im Betrieb wird der Anfangsstrom durch die Widerstände 28 und 26 und die Sekundärwicklung 52 zur Basis des Transistors 42 geleitet, wobei die Diode 56 einen Abfluß dieses Stromes zu der negativen Klemme 12 verhindert. Die Diode 44 gestattet, daß das Potential an ihrer Anode negativ wird, ohne an die Sekundärwicklung 52 gebunden zu sein.
Praktisch die ganze, zur Aufrechterhaltung der Schwingungen in dem Schwingkreis erforderliche Rückkopplungsleistung wird von dem Stromtransformator 50 abgenommen.
Praktisch die gesamte zur Aufrechterhaltung der Schwingungen in dem Oszillatorschwingkreis erforderliche Rückkopplungsleistung wird von dem Stromtransformator 50 entnommen. Die erste Rückkopplungsschaltung enthält eine Spule 32, und die automatischen Vorspanungselemente 30 und 26 erzeugen lediglich einen Triggerimpuls zur Einleitung des Stromflusses in dem Transistor, um den Stromtransformator in Betrieb zu setzen und danach Triggerimpulse synchron mit den Schwingungen in den Schwingkreisen. Da die Spule 32 und die Elemente 25 und 30 nicht langer zur Eizeugung einer hohen Leistung erforderlich sind, ist die Wahl der Werte für die Elemente 26 und 30 weit weniger kritisch, als dies bei bekannten uer Fall war.
Eine mit einer Gleichspannung von 28 V arbeitende Schaltung nach vorstehender Beschreibung führte einer 40-W-Lcuchtstofflampe 35 W bei einer Frec|uenz von 20 Hz zu. Die Spitzenimpulse des Kollektorstromes hatten einen Wert von 8 Ampere und eine Dauer von 15 Mikrosekunden.
Durch die zusätzliche, durch den Stromtransformator gebildete Rückkopplung kann der Transistor dem Schwinckreis zu viel Strom zuführen. Tritt dies auf, dann geht das Potential am unteren Ende des Schwingkreises in Richtung desjenigen der Klemme 12 und überschüssige Energie in dem Schwingkreis bewirkt, daß das Potential sogar negativer wird als dasjenige an der Klemme 12. Ein Sperrstrom würde deshalb durch den Transistor und die Primärwicklung 48 fließen wollen. Dies wird durch eine Diode 60 verhindert, die zwischen den Emitter des Tran-
sistors 42 und das vom Transistor entfernte Ende der Wicklung 48 gelegt ist. Die Diode 60 ist zur Basis-Emitter-Diode des Transistors umgekehrt gepolt, so daß sie den Transistor und die Wicklung 48 für einen Sperrstromfluß umgeht. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich aus der Umleitung jeglichen Sperrstromes für den Transistor und die Wicklung 48 dadurch, daß ohne die Diode der Sperrstrom die gespeicherte Energie in der Wicklung 48 umkehren würde, die anschließend zur Umkehr der Vorspannung an der Basis des Transistors benötigt wird.
Die Schaltung ist ideal für die Versorgung von Gasentladungslampen, da der Transistorbasistreiberstrom abhängig ist von der Belastung und kein unangemessener Basistreiberstrom für zu erwartende Änderungen in der Größe der Eingangsspannung festgestellt wird.
Wird ein Transistor mit einer merklichen Loch- oder Ladungsspeicherung in der Schaltung der Fig. 1 verwendet, dann kann sich zeigen, daß der Basistreiber-Quellenwiderstand (Innenwiderstand) zu hoch ist. Ist dies der Fall, dann kann der Kollektorstrom nicht vernünftig gesteuert werden, und der Schwingkreis wird übersteuert. Die größere Schwierigkeit, die mit der Verwendung eines niedrigen Basistreiber-Quellenwiderstandes verbunden ist, besteht aber darin, daß ein Startstrom in die Basis geleitet wird, um die Schwingungen anzufachen. Startmethoden, die mit einem Einschaltimpuls arbeiten, können bei einigen Oszillatoren verwendet werden; diese Verfahren sind jedoch dann nicht anwendbar, wenn der Oszillator zur Erregung der Leuchtstoff- oder Entladungslampe dient, da die plötzliche Belastung zu Beginn der Entladung einen augenblicklichen Spannungsabfall an dem Schwingungskreis erzeugt. Wenn kein weiterer Startimpuls vorhanden ist. bricht die Schwingung zusammen.
Das obengenannte Problem kann durch eine Weiterentwicklung der Erfindung überwunden werden, bei der zwei weitere Dioden 62 und 64 in Reihe über die Diode 56 geschaltet werden. Die Dioden 62 und 64 sind entgegengesetzt zur Diode 56 geschaltet, so daß die von dem Stromtransformator 50 abgeleitete Rückkopplung eine niedrige Quellenimpedanz (Innenwiderstand) für beide Signalpolaritäten in der Primärwicklung 48 zu besitzen scheint. Der durch den Widerstand 28 fließende Startstrom besitzt zwei möjrliche Rückführungen zur Klemme 12; die eine läuft durch die Dioden 62 und 64 und die andere durch die Basis-Emitter-Diode des Transistors. Da die Durchlaßspannung für die Basis-Emitter-Diode geringer ist als diejenige für die beiden in Reihe geschalteten Dioden, fließt der Startstrom zur Basis des Transistors. An Stelle der Dioden 62 und 64 kann auch eine einzige Diode verwendet werden. wenn vorausgesetzt wird, daß sie einen Durchlaßspannungsabfall besitzt, der größer ist als die Durchlaßspannung an der Basis-Emitter-Diode des Transistors.
F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeisptel der Brfindung, bei dem zwei npn-Transistoren in Gegentakt verwendet werden.
Der Emitter eines zweiten Transistors 142 ist mit der Klemme 12 und sein Kollektor über eine Primärwicklung 148 eines zweiten Stromtransformators 150 mit demjenigen Ende der Spule 20 verbunden, das nicht mit dem Kollektor des Transistors 42 verbunden ist.
Eine dritte Rtickkopplungsschaltung besteht aus einer vierten Spule 132. die wechselseitig mit der
»o Spule 20 gekoppelt ist und deren eines Ende mit der Basis des Transistors 142 durch eine Diode 144 und deren anderes Ende durch einen Kondensator 130 mit der Klemme 12 verbunden ist.
Eint vierte Rückkopplungsschaltung wird durch
»5 die Sekundärwicklung 152 des Transformators 150 und einem dazu parallelgeschalteten Widerstand 154 gebildet. Ein Ende der Wicklung 152 ist mit der Basis des Transistors 142 und das andere über eine Diode 156 mit der Klemme 12 verbunden.
Der Transformator 150 besitzt einen Ringkern, und die Primär- und Sekundärwicklung besteht in diesem Beispiel aus einer bzw. zehn Windungen. Fin Widerstand 126 ist zwischen den Verbindungspunkt des Kondensators 130 mit der Spule 132 und den Verbindungspunkt der Diode 156 mit der Wicklung 152 gelegt.
Ein Kondensator 158 und ein Widerstand 160 sind in Reihe zwischen den Verbindungspunkt 21 und die Eingangsklemme 12 geschaltet.
Wie im Zusammenhang mit Fiel beschrieben wurde, wird der Startstrom durch die Widerstände 28 und 26 und die Wicklung 52 7ur Basis des Transistors 42 geleitet. Aber es wird praktisch die ganze für die Aufrechterhaltung von Schwingungen in dem Schwingkreis 16 erforderliche Rückkopplungsleistung gleichmäßig von den Stromtransformatoren 50 und 15(1 abgeleitet.
Wie zuvor können die Dioden 62 und 64 der Fi e. 1 parallel zur Diode 56 gelegt werden, und zwei weitere (nicht gezeigte) Dioden können in ähnlicher Weist über die Diode 156 se?chaltet sein.
Hierzu 1 Blatt Zeichnunsen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Halbleiter-Oszillator in C-Betrieb mit automatischer Vorspannung zur Erzeugung einer Schwingungsspannung bei Anlegen einer Gleichspannung an eine erste und zweite Eingangsklemme mit einem Halbleiterschalter, dessen erste gesteuerte Elektrode mit der ersten Eingangsklemme und eine zweite gesteuerte Elektrode mit einem Schwingkreis verbunden ist, der aus einem ersten Kondensator und einer ersten Spule in Parallelschaltung besteht, wobei die zweite Eingangsklemme mit dem Schwingkreis verbunden ist, und mit einer ersten Rückkopplungsschaltung, die eine zweite mit der ersten Spule wechselweise gekoppelte Spule besitzt unö mit der Steuerelektrode des Schalters verbunden ist. dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Rückkopplungsschaltung vorgesehen ist, die eine mit der Steuerelektrode verbundene Sekundärwicklung (52) des Stromtransformators einschließt, und daß die Primärwicklung des Stromtransfoimators zur Erzeugung regenerativer Stromimpulse zwischen dem Halbleiterschalter und dem Schwingkreis eingeschaltet ist.
2. HalbHter-Osziilator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Begrenzerschaltung, etwa eine Drossel (*J8) zui Begrenzung der maximalen Dauer und GröOe d^r durch den Halbleiterschalter gezogenen Stroinimpulse.
3. Halbleiter-Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite gesteuerte Elektrode des Schalters (42) über die Primärwicklung (48) des Stromtransformators mit einem Ende der ersten Spule gekoppelt ist und die Verbindung zwischen der Drossel (58) und dem Schwingkreis über eine Anzapfung (20 c) an der ersten Spule (20) erfolgt, daß der Oszillator ferner einen zweiten Halbleiterschalter (142) besitzt, dessen erste gesteuerte Elektrode mit der ersten Klemme und eine zweite gesteuerte Elektrode über eine Primärwicklung (148) eines zweiten Stromtransformators mit dem anderen Ende der ersten Spule gekoppelt ist, daß eine dritte Rückkopplungsschaltung, die eine mit der ersten Spule wechselweise gekoppelte vierte Spule (132) enthält, mit der Steuerelektrode des zweiten Schalters verbunden ist und daß eine vierte Rückkopplungsschaltung, die eine Sekundärwicklung (152) des zweiten Stromtransformators enthält, mit der Steuerelektrode des zweiten Schalters verbunden ist. so daß im Betrieb stetige Schwingungen in dem Schwingkreis durch abwechselnde Stromimpulsc von den beiden Schaltern aufrechterhallen werden.
4. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Oszil* latoraignal zur automatischen Vorspannung über die zweite Spule (32) und einen ersten Richtleiter (44) angelegt wird, die in dieser Reihenfolge mit der Steuerelektrode in Reihe geschaltet sind.
5. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Richtleiter (60) zwischen die erste gesteuerte Elektrode und das von der zweiten gesteuerten Elektrode entfernte Ende der Primärwicklung (48) des Stromtransformators geschaltet ist, wobei der zweite Richtleiter derart angeordnet ist, daß er den Schalter (42) und die Primärwicklung umgeht, wenn die Größe und Polarität der Schwingungen in dem Schwingungskreis (16) derart sind, daß ein Strom durch den Schalter in Sperrichtung entgegengesetzt zu den Stromimpulsen fließen möchte.
6. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter ein Transistor (42) ist und ein Ende der Sekundärwicklung (52) des Stromtransformators mit der Basis des Transistors und das andere Ende mit der ersten gesteuerten Elektrode über einen dritten Richtleiter (56) gekoppelt ist, die entgegengesetzt zu der durch die Basis und die erste gesteuerte Elektrode des Transistors gebildete Diode gepolt ist.
7. Oszillator nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen oder mehrere weitere Richtleiter (62, 64), die parallel zu dem dritten Richtleiter (56) mit entgegengesetzter Polung zu demselben geschaltet sind wobei der Durchlaßspannungsabfall an den weiteren Richtleitern größer als die Vorwärtsdurchlaßspannung an der Basis-Emitter-Diode des Transistors (42) ist.
DE19702018152 1969-04-24 1970-04-16 Halbleiter-oszillator Withdrawn DE2018152B2 (de)

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