DE1538043B2 - Schaltungsanordnung zum umwandeln einer wechselspannung niedriger frequenz in eine solche hoeherer frequenz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Umwandeln einer Wechselspannung niedriger Frequenz in eine solche höherer Frequenz.

Bisher wurde die Umwandlung von niederfrequenter Wechselspannung in hochfrequente Spannung für die Speisung von Verbrauchern, die mit hohen Frequenzen betrieben werden, gewöhnlich in der Weise vorgenommen, daß der niederfrequente Wechselstrom gleichgerichtet und aus dem resultierenden Gleichstrom eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt wird. Die entsprechenden HF-Energieversorgungsgeräte für z. B. Induktionsheizvorrichtungen, Schweißvorrichtungen, Widerstandsheizvorrichtungen u. dgl. sind ziemlich sperrig und kompliziert sowie verhältnismäßig teuer. Wegen der Kosten und der Kompliziertheit der üblichen HF-Energieversorgungsgeräte sowie wegen der erheblichen Leistungsverluste bei der Übertragung hochfrequenter Energie vom Erzeugungsort nach einem entfernten Verbraucherort war es ferner üblich, elektrische Einrichtungen, wie Leuchtstofflampen, die an sich bei Speisung mit HF-Energie einen besseren Wirkungsgrad aufweisen, nicht mit Hochfrequenzenergie, sondern mit Netzfrequenzstrom über einen besonderen Transformator bzw. Ballasttransformator für jede Lampe oder jeden Beleuchtungskörper zu betreiben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser Nachteile ein HF-Energieversorgungsgerät zu schaffen, das bei geringer Größe, niedrigen Kosten und einfachem Aufbau die Frequenzwandlung ohne Gleichrichten des niederfrequenten Wechselstromes ermöglicht und sich für die HF-Speisung von Einrichtungen, wie Induktionsheizgeräten, Leuchtstofflampen u. dgl., die dadurch mit besserem Wirkungsgrad arbeiten, eignet, wobei im Falle der HF-Spannungsversorgung von Leuchtstofflampen kein Ballasttransformator erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen die Klemmen einer die niedrigere Frequenz liefernden Wechselspannungsquelle zwei frei schwingende Multivibratoren in Reihe mit einer Last geschaltet sind, von denen der eine eine Ausgangsspannung der höheren Frequenz während lediglich der einen Halbwelle der speisenden Wechselspannung und der andere eine Ausgangsspannung der höheren Frequenz während lediglich der anderen Halbwelle der speisenden Wechselspannung erzeugt, daß über beide Multivibratoren je eine in Reihe mit der Last liegende Richtleiteranordnung geschaltet ist, die Strom während derjenigen Halbwelle der speisenden Wechselspannung

leitet, während welcher der entsprechend andere Multivibrator eine Ausgangsspannung erzeugt, und daß an beide Multivibratoren eine Ausgangsanordnung angeschaltet ist, die während beider Halbwellen der speisenden Wechselspannung eine Ausgangsspannung liefert. Vorzugsweise entfalten dabei die Multivibratoren Transistoren und^besteht die Richtleiteranordnung aus Zenerdioden, deren Durchbruchsspannung in der Sperrichtung im Hinblick auf die Durchlaßspannungseigenschaften der Transistoren so bemessen ist, daß übermäßig hohe Durchlaßspannungen von den Transistoren ferngehalten werden.

Es ist bereits eine Anordnung zur Speisung eines Wechselstromverbrauchers bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 121 167), bei welcher in Reihe mit dem Verbraucher ein Steuerelement geschaltet ist, das von einem geeigneten Steuergerät periodisch in einstellbaren Zeitintervallen durchgesteuert wird. Dem Steuerelement, welches seinem Wesen nach ein steuerbarer Gleichrichter ist, liegt ein Richtleiter parallel, dessen Durchlaßrichtung entgegengesetzt derjenigen des Steuerelements ist. Auf Grund einer derartigen Polarität der beiden im Verbraucherstromkreis liegenden Elemente und bei Speisung des Verbrauchers mit einer Wechselspannung leitet der Richtleiter während derjenigen Halbwelle der Wechselspannung, während welcher das Steuerelement nicht leitet. Dieses Steuerelement kann jedoch nicht wie die erfindungsgemäßen Multivibratoren eine Ausgangsspannung höherer Frequenz liefern, da es sich um einen Trinistor handelt, der sich nicht unabhängig von der an seiner Arbeitsstrecke liegenden Wechselspannung beliebig aus- und einschalten läßt. Mit der bekannten Anordnung wird die erfindungsgemäße Aufgabe, nämlich das Umwandeln einer Wechselspannung niedriger Frequenz in eine solche höherer Frequenz, nicht gelöst. Die bekannte Anordnung eignet sich nur zur Beeinflussung der dem Verbraucher zugeführten Spannungszeitflächen, jedoch nicht zur Beeinflussung der am Verbraucher liegenden Frequenz.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Ausgangsanordnung in Reihe zwischen die beiden Multivibratoren geschaltet sein. Die beiden Multivibratoren können jeweils aus zwei Transistoren bestehen, die abwechselnd im Takt der höheren Frequenz stromleitend werden, wobei die Ausgangsanordnung aus zwei Lastimpedanzen besteht, von denen jede in Reihe zwischen die entsprechenden Transistoren der beiden Multivibratoren geschaltet ist und jedem Transistor eine Diode parallel geschaltet ist. Die Ausgangsanordnung kann auch so gestaltet sein, daß sie die Multivibratoren mit zwei Lastelementen verbindet. Es können zwei Ausgangsanordnungen vorgesehen sein, von denen die zweite den zweiten Multivibrator mit dem zweiten Lastelement verbindet. Bei Verwendung für HF-Energieversorgung einer Leuchtstofflampe enthält die Ausgangsanordnung vorzugsweise ein strombegrenzendes Impedanzelement. Bei Verwendung für die HF-Energieversorgung von zwei Leuchtstofflampen enthält die Ausgangsanordnung vorzugsweise für jede Leuchtstofflampe je ein strombegrenzendes Impedanzelement.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt F i g. 1 das Schaltschema einer repräsentativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für die Speisung zweier Leuchtstofflampen mit Hochfrequenzspannung und

F i g. 2 ein Diagramm des Ausgangsspannungsverlaufes der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

In der Anordnung nach F i g. 1 werden zwei Leuchtstofflampen 10 und 11 mit Hochfrequenzspannung von einem Frequenzwandler 12 gespeist, der Energie über zwei Leiter 13 und 14 empfängt, die über einen Schalter 15 an eine übliche Wechselspannugsquelle 16 von beispielsweise 120 Volt und 60 Hz angeschlossen sind. Die hier gezeigten Leuchtstofflampen 10 und 11 haben an ihren beiden Enden jeweils Heizleiter 17, 18 bzw. 19, 20, die, um die Lampe zu zünden, geheizt werden und bei der hier beschriebenen Ausführungsform über die entsprechenden Sekundärwicklungen 21, 22, 23 und 24 eines kleinen Transformators 25, dessen Primärwicklung 26 mit einem Schalter 27 über die Leiter 13 und 14 geschaltet ist, kurzzeitig erregt werden. Natürlich kann man auch andere übliche Lampenzündungsanordnungen, wie z. B. einen die Heizleiter jeder Lampe in Reihe über den Ausgang des Frequenzwandlers 12 schaltenden Schalter, verwenden, und in bestimmten Fällen können die Leuchtstofflampen unmittelbar vom Wechselstromausgang der Schaltungsanordnung gezündet werden, ohne daß eine Heizleiteranordnung benötigt wird.

Im Frequenzwandler 12 sind zwei Multivibratoren 28 und 28' so angeordnet, daß sie die beiden Seiten der Leuchtstofflampen 10 und 11 während der entsprechenden Halbwellen der 60-Hz-Spannungsperiode des über die Leiter 13 und 14 gelieferten Wechselstromes mit Hochfrequenzenergie beliefern. Da die beiden Multivibratoren 28 und 28' in der hier gezeigten Ausführungsform völlig identisch ausgebildet sind, wird lediglich der Multivibrator 28 im einzelnen beschrieben; die Schaltungselemente des Multivibrators 28' sind mit den entsprechend gleichen Bezugszeichen mit Strichindizes bezeichnet. Der Multivibrator 28 enthält eine erste Schalterstufe mit einem Elektronenventil, beispielsweise einem Transistor 29, der mit seinem Emitter 30 direkt an den Leiter 13 und mit seinem Kollektor 31 an einen Ausgangsleiter 32 angeschlossen ist. Die Basis 33 ist über einen Emittervorspannungskreis mit einem .RC-Parallelglied, bestehend aus einem Kondensator 34 und einem Widerstand 35, an den Leiter 13 und über einen Widerstand 36 an den Leiter 32' des Multivibrators 28' angeschlossen. Wie noch im einzelnen erläutert werden wird, wird während des Betriebs des Multivibrators 28 der Leiter 32' auf annähernd dem gleichen Potential wie der andere Eingangsleiter 14 gehalten. Der Leiter 32 ist ferner über einen Kondensator 37 mit der Basis 33 α eines Transistors 29 α in der zweiten Schalterstufe des Multivibrators 28 gekoppelt. Der Leiter 32 ist ferner über einen Widerstand 38 an den Leiter 32' angeschlossen, der seinerseits über eine Diode 39 mit dem anderen Eingangsleiter 14 verbunden ist.

'Typischerweise ist die Last, hier verkörpert durch die beiden Leuchtstofflampen 10 und 11, mit den Widerständen 38 bzw. 38 α parallel geschaltet, und in bestimmten Fällen kann es erwünscht sein, ein zusätzliches verlustarmes Impedanzelement Z, hier mit 40 bzw. 40 α bezeichnet, in Reihe mit dem Verbraucher zu schalten, um dessen Stromaufnahme im Betrieb zu begrenzen. Die Bemessung und die Eigen-

schäften dieser Impedanz hängen natürlich von der Beschaffenheit und den Eigenschaften des Verbrauchers ab, und bei einer praktisch ausgeführten Schaltungsanordnung für die HF-Speisung von Leuchtstofflampen wurde zu diesem Zweck eine Drosselspule mit einer Induktivität -von einigen Millihenry verwendet. ■ *V,. -.

Da die zweite Schalterstufe des Multivibrators 28 gleich ausgebildet ist wie die oben beschriebene erste Stufe, wird sie hier nicht im einzelnen beschrieben; die Schaltungskomponenten der zweiten Stufe haben in F i g. 1 jeweils die gleichen Bezugszeichen mit angehängten Kleinbuchstaben a, wobei die Basis 33 des Transistors der ersten Stufe mit dem Kondensator 37 α der zweiten Stufe verbunden ist.

Vorzugsweise haben die beiden Kondensatoren 37 und 37 α des Multivibrators 28 gleiche Werte, und diese Werte, in Verbindung mit den ohmschen Werten der Widerstände 36 und 36 a, die ebenfalls gleich sein sollten, bestimmen die Betriebsfrequenz des Multivibrators 28. Andererseits wählt man die Kapazität der Kondensatoren 34 und 34 α sowie den ohmschen Wert der Widerstände 35 und 35 α in den Emittervorspannungskreisen im Hinblick auf die Eigenschaften der Transistoren so, daß die für eine optimale Schaltwirkung und folglich für die Erzeugung eines optimalen Ausgangsschwingungsverlaufes erforderlichen Vorsparmungsverhältnisse geschaffen werden. Dabei sind die beiden Transistoren 29 und 29 α vorzugsweise vom gleichen Typ, wobei man gewünschtenfalls an Stelle der gezeigten pnp-Transistoren auch npn-Transistoren verwenden kann, in welchem Falle man die Polaritäten der Dioden 39, 39 a, 39' und 39 a! umkehren muß.

Zu beachten ist ferner, daß die Dioden 39, 39 a, 39' und 39 a' nicht nur den Stromkreis von den Widerständen 38 und 38 a zum Leiter 14 für die Transistoren 29 und 29 α sowie zum Leiter 13 für die Transistoren 29' und 29 a' vervollständigen, sondern auch einen Nebenstromweg für diese Transistoren, die sie überbrücken, bilden und dadurch Spannungen in der Sperrichtung von den Transistoren fernhalten. Die Multivibratorschaltung ist daher in ihrer Anwendung nicht durch die Eigenschaften der verwendeten Transistoren bezüglich der Sperrdurchbruchspannung beschränkt. Ferner verwendet man, wie in der Zeichnung gezeigt, für die Dioden 39, 39 a, 39' und 39 a' vorzugsweise Zenerdioden, deren Durchbruchsspannung in der Sperrichtung etwas kleiner als diejenigen Durchlaßspannungswerte gewählt sind, die eine Beschädigung oder einen Durchbruch der Transistoren, die sie überbrücken, verursachen könnten. Auf diese Weise werden etwaige Spannungsstöße in der Flußrichtung, die beispielsweise durch die an die Schaltung angeschaltete Last erzeugt werden können, durch die Zenerdioden überbrückt oder abgeleitet, so daß sie die Transistoren nicht beschädigen können.

Es soll zunächst die Arbeitsweise lediglich des Multivibrators 28 betrachtet und dabei vorausgesetzt werden, daß die bei geschlossenem Schalter 15 im Leiter 13 erscheinende 60-Hz-Wechselspannung, dargestellt durch die gestrichelte Linie 41 im Diagramm nach F i g. 2, in der positiven Richtung (positive Halbwelle 42 auf der linken Seite von F i g. 2) ausschwingt. Außerdem soll zu Erläuterungszwecken vorausgesetzt werden, daß der Transistor 29 zu einem früheren Zeitpunkt zu leiten anfängt als der Transistor 29 a. Da die Dioden 39 und 39 α während der positiven Halbwelle 42 der Spannung im Leiter 13 leiten, können die Leiter 32' und 32 a' als das gleiche Potential wie der Leiter 14 führend angesehen werden. Sobald der Transistor 29 zu leiten beginnt, bewirkt die positive Spannung, die als Folge der Stromaufnahme über den Widerstand 38 im Leiter 32 erzeugt wird, daß die Basis 33 a des Transistors 29 α über den Kondensator 37 eine negative Spannung erhält, wodurch dieser Transistor in der üblichen Weise zeitweilig gesperrt gehalten wird. In F i g. 2 ist das jeweilige Potential des Leiters 32 und folglich die am Widerstand 38 erscheinende Spannung graphisch durch die ausgezogene Kurve 43 dargestellt.

Wenn der Kondensator 37 sich über den Widerstand 36 a entladen hat, wird der Transistor 29 a leitend, und die positive Spannung im Leiter 32 α erzeugt an der Basis 33 eine Spannung, die den Transistor 29 sperrt, so daß die Spannung am Widerstand 38 auf Null absinkt, wie in F i g. 2 bei 43 angedeutet. Dieses abwechselnde Öffnen und Sperren der beiden Transistoren 29 und 29 α des selbständig kippenden \ Multivibrators 28 erfolgt mit einer hohen Frequenz^"

as über die gesamte positive Halbwelle 42 der Spannung * im Leiter 13. Als Folge davon wechselt die Momentanspannung am Widerstand 38 während dieser gesamten Halbwelle mit hoher Frequenz zwischen dem Potential des Leiters 13, dargestellt durch die gestrichelte Linie 41 in F i g. 2, und Nullpotential, dargestellt durch die ausgezogene Kurve 43. Während dieser gleichen Halbwelle ist die Momentanspannung am Widerstand 38 α (in F i g. 2 nicht dargestellt) zur Spannung am Widerstand 38 in der Weise komplementär, daß sie, wenn die ausgezogene Kurve 43 bei Null ist, den jeweiligen Amplitudenwert der Linie 41 hat und, wenn die Kurve 43 beim jeweiligen positiven Pegel ist, Null ist. Obwohl um der besseren Übersichtlichkeit willen in F i g. 2 die Ausgangsfrequenz nur ungefähr das Fünfundzwanzigfache der Eingangsfrequenz beträgt, kann man natürlich mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung durch entsprechende Wahl bzw. Bemessung der Schaltungskomponenten Ausgangsfrequenzen bis hinauf zum Megahertzbereich und höher erhalten.

Wenn sich die Polarität der Eingangswechselspannung umkehrt und der Leiter 13 negativ wird, werden die Dioden 39' und 39 a' leitend, so daß sie die Transistoren 29 und 29 α kurzschließen, während zugleich die Dioden 39 und 39 α gesperrt werden, so daß die beiden Stufen des Multivibrators 28' jetzt im hochfrequenten Takt in der gleichen Weise, wie sie für den Multivibrator 28 beschrieben wurde, arbeiten können. Während dieser Halbwelle der Eingangsperiode kehrt sich die Spannung an den Widerständen 38 und 38 α um, wie es für den Widerstand 38 durch die negative Halbwelle 44 des Spannungsverlaufs in F i g. 2 angedeutet ist. Es ist daher selbst während desjenigen Teils der Eingangsspannungsperiode, da einer der beiden Multivibratoren tätig ist, jeder Transistor dieses Multivibrators jeweils .immer nur die Hälfte der Zeit leitend, so daß der gesamte Arbeitszyklus für jeden Transistor nur 25 % beträgt, weil jeder Transistor jeweils während desjenigen Teils der Eingangsspannungsperiode, in dem der betreffende Multivibrator inaktiv ist, vollständig außer Betrieb ist. Da ferner gemäß einer praktischen Ausführungsform die Transistoren auf einem Kühlkörper

beträchtlicher Masse angeordnet sind, geben die Transistoren sehr rasch diejenige Wärme ab, die durch den Stromfluß während der betreffenden leitenden Halbwelle der Eingangsspannungsperiode etwa erzeugt wird. Die Transistoren können daher mit erheblich stärkeren MomentanströmerÄ belastet werden, als es möglich wäre, wenn $£lie Transistoren dauernd oder über prozentual längere Zeitintervalle in Betrieb wären.

Bei einer praktisch erprobten Ausführungsform to der Erfindung hatten die Widerstände 38 und 38 a einen Wert von jeweils 5000 Ohm, die Widerstände 36, 36 a, 36' und 36 a' einen Wert von jeweils 5000 Ohm, die Widerstände 35, 35 a, 35' und 35 a' einen Wert von jeweils 10 000 Ohm, die Kondensatoren 34, 34 a, 34' und 34 d einen Wert von jeweils 0,1 Mikrofarad und die Kondensatoren 37, 37 a, 37' und 37 d einen Wert von jeweils 0,022 Mikrofarad. Mit dieser Anordnung wurde eine Ausgangsspannung mit einer Frequenz in der Größenordnung von 10 000 Hertz erhalten. Damit wurden zwei 40-Watt-Leuchtstofflampen betrieben, wobei jeder der verschiedenen obengenannten Transistortypen in der Schaltung verwendet wurde. Zum Zünden der Lampen wurde der Schalter 27 einige Sekunden lang geschlossen, um die Heizleiter an den beiden Lampenenden aufzuheizen, wobei man aber, wie bereits erwähnt, auch anderweitige Zündanordnungen vorsehen kann.

Wenn die Anordnung lediglich während der positiven oder negativen Halbwelle der Eingangsspannungsperiode arbeiten soll, ist es auch möglich, den entsprechenden Multivibrator 28 bzw. 28' wegzulassen, wobei man die Widerstände 36, 36 α oder 36', 36 a' sowie 38 und 38 a unmittelbar an den anderen Pol der Eingangswechselstromquelle anschließt. Außerdem kann man für die Schaltelemente in den Multivibratoren an Stelle der gezeigten Transistoren auch Festkörper-Bauelemente mit innerer Schaltwirkung, beispielsweise Shockley-Vierschichtdioden, verwenden, wobei diese Vierschichtdioden in den einzelnen Multivibratoren durch entsprechende Frequenzsteuerelemente, wie z. B. Kondensatoren, verbunden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 209 529/120

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Umwandeln einer Wechselspannung niedriger Frequenz in eine solche höherer Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die' Klemmen einer die niedrigere Frequenz liefernden Wechselspannungsquelle (16) zwei frei schwingende Multivibratoren (28, 28') in Reihe mit einer Last (Leuchtstofflampe 10) geschaltet sind, von denen der eine (28) eine Ausgangsspannung der höheren Frequenz während lediglich der einen Halbwelle der speisenden Wechselspannung und der andere (28') eine Ausgangsspannung der höheren Frequenz während lediglich der anderen Halbwelle der speisenden Wechselspannung erzeugt, daß über beide Multivibratoren (28,28') je eine in Reihe mit der Last (Leuchtstofflampe 10) liegende Richtleiteranordnung (Dioden 39', 39) geschaltet ist, die Strom während derjenigen Halbwelle der speisenden Wechselspannung leitet, während welcher der entsprechend andere Multivibrator (28', 28) eine Ausgangsspannung erzeugt, und daß an beide Multivibratoren (28, 28') eine Ausgangsanordnung (38, 40) angeschaltet ist, die während beider Halbwellen der speisenden Wechselspannung eine Ausgangsspannung liefert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Multivibratoren (28, 28') Transistoren (29, 29') enthalten und die Richtleiteranordnung (Dioden 39', 39) aus Zenerdioden besteht, deren Durchbruchsspannung in der Sperrichtung im Hinblick auf die Durchlaß-Spannungseigenschaften der Transistoren so bemessen ist, daß übermäßig hohe Durchlaßspannungen von den Transistoren ferngehalten werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsanordnung (38, 40) in Reihe zwischen die beiden Multivibratoren (28, 28') geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Multivibratoren (28, 28') jeweils zwei Transistoren (29, 29 α und 29', 29 a') enthalten, die mit der höheren Frequenz abwechselnd in den stronüeitenden Zustand schalten, daß die Ausgangsanordnung aus zwei Lastimpedanzen (38, 38 a, 40, 40 a) besteht, von denen jede in Reihe zwischen die entsprechenden Transistoren (29, 29' bzw. 29 a, 29 α') der beiden Multivibratoren geschaltet ist, und daß jedem Transistor eine Diode (39', 39 α' und 39, 39 α) parallel geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsanordnung (38, 40,38 a, 40 a) die Multivibratoren mit zwei Lastelementen (Leuchtstofflampen 10,11) verbindet.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ausgangsanordnungen (38, 40 und 38 a, 40 α) vorgesehen sind, von denen die zweite (38 a, 40 a) den zweiten Multivibrator (28') mit dem zweiten Lastelement (Leuchtstofflampe 11) verbindet.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die HF-Energieversorgung einer Leuchtstofflampe, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsanordnung ein strombegrenzendes Impedanzelement (40) enthält.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die HF-Energieversorgung von zwei Leuchtstofflampen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsanordnung für jede Leuchtstofflampe (10, 11) je ein strombegrenzendes Impedanzelement (40, 40 a) enthält.