TRANSFORMATOR, INSBESONDERE FÜR EINE TREIBERSTUFE

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator, insbesondere Leistungstransformator in Mantelbauweise, mit einem Kern aus ferromagnetischem Material und mit zumindest einer Primär- und einer Sekundärwicklung, von denen zumindest eine eine Folienwicklung ist und die als Zylinderwicklungen mit dazwischen liegenden Isolierschichten auf einen auf den Mittelsteg des Kernes aufgesetzten Wickelkörper aufgebracht sind.

[0002] Ein solcher Trafo ist aus der EP-A-0126365 bekannt. Bei diesem Transformator ist die Primärwicklung in zwei Teilwicklungen aufgeteilt, die die Sekundärwicklung ummanteln. Alle Wicklungen sind als Folienwicklungen ausgeführt. Dieser Transformator wird als Schalttransformator eingesetzt. Trotz der Verwendung eines Ferritkernes vom offenen Typ werden durch die Folienwicklungen die parasitären Induktivitäten dieses Transformators klein gehalten. Auch ermöglichen die Folienwicklungen eine kompakte Bauweise mit einer Reduzierung des magnetischen Streuflusses. Der Hauptanteil des magnetischen Flusses wird auf diese Weise in den Ferritkern gelenkt, wobei praktisch keine Luftspalte überwunden werden müssen.

[0003] Dieser bekannte Transformator kann nicht als Leistungstransformator eingesetzt werden, da dann verstärkt die Relaxationseigenschaften des Kernmaterials zum Tragen kommen. Insbesondere, wenn hohe Leistungen geschaltet werden müssen, würde dieses zu starken Verzerrungen der übertragenen Impulse führen.

[0004] Aus dem Buch Schaltnetzteile von Joachim Wustehube, Expertverlag D-7031 Grafenau, Seiten 354 bis 357 ist es bekannt, die Sekundärwicklung innen und außen von je einer Primärteilwicklung zu umfassen und diese Wickelanordnung auf einen Wickelkörper des Kernes zu setzen. Durch eine solche Wicklung kann die magnetische Spannung, die bei einer üblichen Wicklungsanordnung aus Primär- und Sekundärwicklung ein scharfes Maximum an der Grenzfläche zwischen den Wicklungen aufweist, über die Dicke der Wicklungsanordnung besser verteilt werden, da hierbei nur zwei halb so große Maxima mit unterschiedlichen Vorzeichen auftreten. Durch eine solche geschachtelte Wicklungsanordnung können die Wirbelströme und damit die Gesamtverluste verringert werden. Bei einer herkömmlichen Wicklungsanordnung werden jedoch die zu übertragenden Leistungen durch sonstige Verluste und insbesondere die Eigenschaften des Kernes begrenzt.

[0005] Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, eine Wicklung in mehrere Teilwicklungen aufzuteilen; vgl. z.B. Siemens Schaltbeispiele, Ausgabe 1978/79, Seiten 189 bis 191.

[0006] Transformatoren werden in der Stromversorgungstechnik für die Bildung der erforderlichen Versorgungsspannungen herangezogen, wobei gleichzeitig die galvanische Trennung vom Netz erreicht wird. Der Einsatz erfolgt dabei im 50 Kz-Frequenzbereich. Beim Transformatorbetrieb ergibt sich im zeitlichen Verlauf des Übertragungsverhaltens eine Schieflastigkeit. Während im Verlauf der positiven Halbwelle eine Belastung des Transformators vorliegt, läuft er während der negativen Halbwelle frei. Beim Gegentaktwandler kommt es im Verlauf der Zeit zu Zonen mit exponentiellem Verlauf des Verbraucherinnenwiderstands, was entsprechend einen Stromanstieg bedeutet. Von Unitrode ist eine Schaltung mit zwei Transformatoren bekannt, die jeweils während einer Halbwelle arbeiten, somit nie bei Primärspannung Null. Die Leistungsdaten sind 350 W, wobei der Steuerstrom bei 500-600 mA liegt.

[0007] Transformatoren werden herkömmlich mittels folgender Formel dimensioniert:


wobei
n Windungszahl,
U Spannung (V),
B magnetische Flußdichte (10^_4T),
A Kernquerschnittsfläche (cm²),
f Frequenz (s^_1) und
4 Formkonstante für Rechteckspannung ist.

[0008] Der Kernquerschnitt wird dabei unter dem Gesichtspunkt der zu übertragenden Leistung gewählt. Die Übertragungsleistung herkömmlicher Transformatoren, die die bekannten magnetischen Werkstoffe enthalten, nimmt mit steigender Frequenz ab, wie in Fig. 2 veranschaulicht ist. Diese Leistungsabnahme, die der Energieübertragung mit steigender Frequenz Grenzen setzt, beruht auf einer zunehmenden Abweichung der tatsächlichen effektiven Übertragungsleistung von der theoretischen Übertragungsleistung der Transformatoren mit zunehmender Frequenz. Die Abweichungen sind dabei überaus groß. Wenn zum Beispiel aufgrund der Kernmasse und anderer Transformatordaten bei einer Übertragungsfrequenz von 25 kHz eine theoretische Übertragungsleistung von 4 kW berechnet wird, so ergibt sich bei einem praktischen Ausführungsbeispiel eines Transformators eine tatsächlich erreichbare Übertragungsleistung von 1 kW. Sollen daher mit herkömmlichen Transformatoren bestimmte Übertragungsleistungen realisiert werden, so führt dies zu Leistungsggewichten (Leistung/Gewicht, W/kg), die nachteilig um Faktoren überhöht werden müssen.

[0009] Dieses Problem wurde in einem Nachtrag zum Datenbuch "Ferrite 82/83˝, Ausgabe Juni 1983 der Firma Siemens AG im Abschnitt ETD-Kerne für die Leistungselektronik, S. 4, "Übertragbare Leistungen", Absatz 2 erwähnt: "Je nach Anforderung (Isolation, Bewicklung, Stromdichte usw). und Kühlmöglichkeiten sind wesentlich höhere Leistungen, aber auch geringere zu übertragen". Nähert Hinweise zur Lösung wurden jedoch nicht gegeben.

[0010] Aus der Fernsehempfangstechnik sind Transformatoren bekannt, die als Rückschlagwandler in Zeilenendstufen im Leistungsbereich von etwa 50 bis 100 W verwendet werden. Entsprechend dem Verwendungszweck ist der Transformatorkern mit einem Luftspalt von etwa 2 mm ausgebildet. Während des Hinlaufs dienen die Zeilentransformatoren zur Stromtransformation und ablenkung des Elektronenstrahls. Danach wird das Magnetfeld schlagartig abgebaut und während des Rücklaufs mittels einer besonderen Wicklung, der Hochspannungswicklung, in eine Hochspannung umgesetzt, wobei zur Erzeugung eines möglichst hohen Rückschlagimpulses eine hohe Speicherinduktivität angezielt wird. Die Spule, d.h. die Wicklung, ist bei diesen bekannten Transformatoren möglichst dicht beim Kern angeordnet, so daß einerseits der Umsetzungsgrad der elektrischen in magnetische Energie gut ist und andererseits wenig Raum eingenommen wird. Aus letzterem Grunde ist als Hochspannungswicklung eine Folienwicklung eingesetzt worden, bei der das Wicklungsmaterial auf einen Kunststoffträger aufgedampft worden ist. Diese Folie ermöglicht eine deutliche Raumersparnis bei großen Windungszahlen und setzt insbesondere Streukapazitäten herab. Infolge des geringen Leiterquerschnitts können derartige Folien jedoch nicht für große Ströme verwendet werden.

[0011] Seit langem sind für die Verwendung bei Tonfrequenz-Ausgangsübertragern und Modulationstransformatoren für Senderendstufen Transformatoren bekannt, bei denen die Primär- und Sekundärwicklungen verschachtelt, d.h. ineinander gewickelt sind (vgl. z.B. DE-PS 18 02 830). Die wechselweise gewickelten Primär- und Sekundärteilwicklungen sind jeweils in Reihe geschaltet. Diese Transformatoren sind für die Widerstandstransformation und Anpassung entwickelt worden, wobei insbesondere der Frequenzgang bei Tonfrequenzübertragungen durch Endstufen verbessert werden sollte. D.h., wesentlich sind die Linearübertragungseigenschaften im Übertragungsfrequenzbereich, der weit unter der Netzfrequenz anfängt und bei ca. 20 kHz endet (Tonfrequenzbereich). Als Kernwerkstoff werden bei diesen Transformatoren lamellierte Dynamo-bleche verwendet. In diesem Frequenzbereich spielen gyromagnetische Frequenzen noch keine Rolle.

[0012] Es sind ferner Schweißtransformatoren bekannt geworden (vgl. DE-OS 29 37 711), bei denen die Primär- und Sekundär spulen getrennt, mit Abstand voneinander auf einem gemeinsamen magnetischen Steg angeordnet sind. Als Kernmaterial ist bei diesen Transformatoren einfaches Transformatorenblech verwendet worden. Die Schweißtransformatoren werden bei einer Arbeitsfrequenz von 50 Hz betrieben. Durch Auseinanderziehen der Wickelkammern für Primär- und Sekundärspulen kann bei diesen Schweißtransformatoren der Kurzschlußstrom beim Schweißen ohne weitere Maßnahmen auf das 2,5 fache des Normalwerts begrenzt werden. Hierbei wird eine Verhinderung der Energieübertragung über die Wicklungsanordnung zur Strombegrenzung ausgenutzt. Eine Begründung des Effekts ist nicht gegeben worden.

[0013] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Transformator der in Rede stehenden Art die Anordnung der Wicklungen auch in bezug zu dem Kern so zu modifizieren, daß der Transformator für die Übertragung hoher Energien geeignet ist und Insbesondere im Schaltbetrieb einen möglichst phasenfreien Verlauf von Primärstromanstieg und Sekundärspannungsanstieg zeigt, wobei die Temperaturbetastung gering bleiben soll.

[0014] Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

[0015] Demgemäß erfolgt durch die räumliche Trennung der Wicklungen von dem Kern und durch die Anordnung der Primärwicklung auf der Sekundärwicklung sowie die enge Kopplung der Sekundärwicklung mit der Primärwicklung die Energieübertragung im wesentlichen über die Wicklungen, so daß der Einfluß des Kerns, insbesondere die erwähnten Verzögerungseigenschaften des Kernmaterials, beim Schaltbetrieb nur gering sind.

[0016] Durch die Erfindung wurde ein Transformator mit verbesserten Übertragungseigenschaften für den mittelfrequenten Bereich (oberhalb des Hörbereichs bis in den 100 kHz-Bereich) geschaffen und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Transformators angegeben. Der zu entwickelnde Transformator sollte dabei insbesondere zur übertragung mit Arbeitsfrequenzen im Bereich von etwa 20 bis 100 kHz und Anstiegszeiten von ca. 100 bis 200 ns (entsprechend einem Übertragungsbereich von 5 bis 10 MHz für sinusförmige Wechselspannungen) und zur Übertragung von Impulsen hoher Leistung geeignet sein und eine galvanische Trennung zwischen zwei Stromkreisen gewährleisten und sowohl eine Spannungstransformation als auch eine Stromtransformation ermöglichen. Ferner sollte der Transformator ein möglichst günstiges Leistungsgewicht und möglichst geringe Abmessungen aufweisen sowie kostengünstig und einfach herstellbar sein.

[0017] Es wurden Versuche in bezug auf das zeitliche Übertragungsverhalten von Transformatoren durchgeführt, insbesondere unter dem Aspekt der Leistungsübertragung über den magnetischen Pfad. Hierbei wurde die in Fig. 3 dargestellte Meßanordnung verwendet. Es wurde ein Kern 2 in E-E-Bauform ausgewählt, der geschliffene Endflächen aufwies, um den Luftspalt 4 möglichst klein zu halten. Der Kern wies schmale, hohe Wickelkammern 6 auf. Eine Primärspule 8 und eine Sekundärspule 10 wurden räumlich voneinander getrennt auf demselben Innensteg 12 des Kerns angeordnet.

[0018] Für die Durchführung von Versuchen mit der in Fig. 3 dargestellten Meßanordnung wurde eine in Fig. 4 veranschaulichte Meßschaltung verwendet. Die Primärspule 8 wurde mit ihren Anschlüssen 14, 16 an einen Spannungsgenerator 26 angeschlossen. Der Generator 26 diente zur Erzeugung von Ansteuerungsimpulsen mit großer Flankensteilheit, deren Anstiegs- und Abfallzeiten zwischen etwa 200 und 500 ns lagen und bei denen es sich z.B. um Sinus- oder Rechteckimpulse handelte. Die Ausgangsspannung des Generators 26 war variabel, sein Innenwiderstand R_i klein (R_i → O). Die Wicklung der Sekundärspule 10 war durch einen rein ohmschen Widerstand 30 abgeschlossen. Ein durch einen Widerstand 24 abgeschlossener schneller Stromwandler 22 diente zur potentialfreien Messung des Primärstroms i_p. Die Primärspannung U₁ und die Sekundärspannung U₂ wurden gemessen. Zur Darstellung der Meßgrößen wurde ein schnelles Mehrkanal-Oszilloskop 28 verwendet.

[0019] Der untersuchte Transformator wurde auf der dynamischen Magnetisierungskurve bis zum Sättigungsbereich unter Erhöhung der Generatorausgangsleistung durchgesteuert. Hierbei wurde unter Berücksichtigung des Hystereseverhaltens des Kernmaterials (B-H-Charakteristik) keine Stromsteuerung zugelassen, die nur zu einer Erwärmung der Wicklung führen würde. Es wurde bei der Aussteuerung darauf geachtet, daß der Anteil der direkten Kopplung über die Wicklung in bezug auf die Energieübertragung über den magnetischen Pfad sehr klein war.

[0020] Die Meßgrößen wurden insbesondere in bezug auf das zeitliche Verhalten untersucht. Um eine möglichst schnelle Impulsübertragung, z.B. für Frequenzen bis 100 kHz und mehr (derzeit ergibt sich durch die verwendbaren Leistungstransistoren die Grenze von etwa 100 kHz) zu ermöglichen, war ein magnetischer Werkstoff, z.B. Fe-Ni-Bleche oder FeMn-Ferrite ausgewählt worden. Der Generator wurde des weiteren vorzugsweise mit Sinus- oder Rechteckimpulsen betrieben, um ein möglichst einfaches Verhalten im Bereich der Impulsanstiegsflanken und -abfallflanken zu erhalten. Gegenstand bei den gesamten Untersuchungen war, daß die für die Ummagnetisierung des Kernmaterials benötigte Zeit zur Periodendauer der Arbeitsfrequenz in einem nicht mehr zu vernachlässigenden Verhältnis steht.

[0021] Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf (a) der Primärspannung, (b) des Primärstroms und (c) der Sekundärspannung bei den Versuchsmessungen. Die Darstellung der Fig. 5 (a) ist in Fig. 6 vergrößert wiedergegeben, wobei die Darstellung der Anstiegs- und Abfallflanken zur Veranschaulichung flacher wiedergegeben ist, als dies den tatsächlichen Gegebenheiten entspricht. Gemäß der zeitlich auseinandergezogenen Darstellung der Fig. 6 setzt sich ein Primärspannungsimpuls (U₁), zeitlich gesehen, für eine Halbperiodendauer t_p aus drei Zeitbereichen zusammen, nämlich der Anstiegszeit t₁, der Impulsdauer t₂ und der Abfallzeit t₃. Wie Fig. 5 (b) und (c) veranschaulichen, sind die durch die Übertragungseigenschaften des Transformators bestimmten Impulse des Primärstroms i_p und der Sekundärspannung U₂ in ihrem Zeitverhalten von dem Zeitverhalten der Ansteuerungsimpulse U₁ verschieden. Die Impulsdauern sind verkürzt. Das zeitliche Verhalten während der Anstiegszeit t₁ und der Abfallzeit t₃ ist lediglich durch die Schaltgeschwindigkeiten etc. nachgeschalteter Bauelemente bestimmt. Während der Zeit t* erfolgt keine quantitative Energieübertragung zur Sekundärwicklung. Die Sekundärspannung wurde bei Stromfluß in der Primärwicklung impulsbreitenmoduliert, und es ergab sich, daß während der Zeit t* eine wesentliche Flußänderung im magnetischen Kreis stattfindet. Trotz der Flußänderung tritt wegen Effekten im Kernmaterial, wie z.B. Bloch-Wand-Effekten etc., keine Sekundärspannung auf. Die Zeit t* steigt mit der Aussteuerung auf der dynamischen Hysteresekurve und ist abhängig vom magnetischen Werkstoff. Das Impulsdach des Primärstromsignals ist zur Vereinfachung in Fig. 5 horizontal dargestellt. In Wirklichkeit ist es deutlich ansteigend und weist z.B. vor dem Anstieg vom Dach der negativen Halbwelle auf die positive Halbwelle eine negative Impulsspitze auf. Infolgedessen können die auf die Maximalbelastung auszulegenden Bauteile nur in einem Teil ihres Betriebsbereichs effektiv eingesetzt werden. Des weiteren wurde im Mittelsteg des magnetischen Kerns zwischen der Primär- und Sekundärwicklung eine Erwärmung festgestellt, die mit Relaxation erklärt wurde.

[0022] Die Versuchsergebnisse wurden auf Vorgänge im magnetischen Kernmaterial zurückgeführt. Wie bereits angedeutet wurde, erfolgt die Energieumformung bei einem Transformator auf zwei Wegen:

a) auf dem magnetischen Pfad, über den die elektrische Energie in elektromagnetische, magnetische, elektromagnetische und wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird (bei den Versuchen bevorzugter Pfad) und

b) auf dem Pfad der direkten Kopplung über die Spulen, bei denen die elektrische Energie in elektromagnetische Energie und zurück in elektrische Energie umgewandelt wird.

[0023] Bei den Versuchen wurde der Pfad über den magnetischen Werkstoff untersucht. Die Zeitdauer t*, die größer als die Anstiegszeit des Primärspannungsimpulses ist, stellt eine Totzeit dar, während der keine effektive Energieübertragung an die Sekundärwicklung erfolgen kann, da im Kernmaterial mikroskopische dynamische Effekte stattfinden, die sich mit wachsender Frequenz zunehmend bemerkbar machen. Diese Effekte treten je nach Werkstoff (z.B. Fe-, FeNi-Bleche, weichmagnetische Ferrite unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps,...) und unterschiedlicher Verarbeitung (unterschiedlich dicke Bleche...) verschieden stark auf. Es handelt sich dabei um Verschiebungsprozesse bei den Blochschen Wänden, einen gyromagnetischen Effekt, Wirbelstromverluste, Fluktuations- bzw. Jordan-Nachwirkung und Diffusionsnachwirkung (vgl. W.v.Münch, Werkstoffe der Elektrotechnik, 4. Auflage, S. 16, 1983, Teubner-Verlag). Die drei letzten Effekte sind im wesentlichen werkstoffbedingt.

[0024] Die Verhältnisse im Transformator werden im folgenden in Vektor-Darstellung erläutert.

[0025] Die Induktanz X_L des stofferfüllten magnetischen Kreises läßt sich wie folgt darstellen:




wobei X_LO ein konstanter Term (Blindwiderstand einer idealen Induktivität; Luftspulennnteil) und X_L(t) ein zeitabhängiger Term für den Flußaufbau ist. Der Widerstand R des stofferfüllten magnetischen Kreises setzt sich aus einem konstanten Term R_O und einem zeitabhängigen Term R(t) zusammen, der durch Relaxationserscheinungen bedingt ist:

[0026] Die Impedanz Z ist daher:

[0027] Dies ist in Fig. 7 veranschaulicht.

[0028] Die auf die Sekundärseite wirksame Gesamtimpedanz Z_ges(t) setzt sich dabei aus einem Anteil aus der direkten Kopplung zwischen der Primär- und der Sekundärspule (Z_W) und aus der Impedanz des magnetischen Kernmaterials bzw. der Kopplung darüber (Z_M), d.h. aus einem wicklungsabhängigen und einem materialabhängigen Term zusammen. Der materialabhängige Term Z_M lädt sich darstellen wie folgt:




wobei R_M einen Ersatzwiderstand für das Verhalten des magnetischen Kerns darstellt. Bei niedrigen Frequenzen geht die Impedanz Z_M über in:

[0029] Gleichung (6) ist die klassiche Impedanzdarstellung, wobei R_OM das normale Leitungsverhalten des Kerns beschreibt und X_COM das kapazitive Verhalten der Kernwerkstoffe beschreibt. Den wicklungsabhängigen Term in der Transformatoranordnung beschreibt jedoch die Gleichung:




wobei jX_LOW konstant ist, wobei X_COW die Kopplungskapazität zwischen den Wicklungen beschreibt; j (X_LOW - X_COW) = jX_W.

[0030] Die Gesamtimpedanz Z _ges(t) läßt sich durch eine wicklungsabhängigen, im wesentlichen konstanten Term und einen zeitabhängigen, im wesentlichen materialabhängigen Term darstellen:

[0031] Dies ist in Fig. 8 veranschaulicht. Während der Vektor Z_W nach Betrag und Richtung konstant bleibt, ändert sich der Vektor Z_M zeitabhängig stark und kann ein Vielfaches von Z_W annehmen.

[0032] Die Vorgänge im magnetischen Kernmaterial werden auch durch folgende Gleichung wiedergegeben:




wobei
B die magnetische Flußdichte,
µ_o die Permeabilitätskonstante,
µ(t) die relative zeitabhängige Permeabilität und
H die magnetische Feldstärke ist.

[0033] Die Permeabilität läßt sich dabei wie folgt darstellen:




wobei µ′, µ˝ konstante Anteile enthalten können. Die Phasenverschiebung




ist zeitabhängig und gibt die Momentanwerte der Phasenverschiebung zwischen der effektiven Permeabilität µ und der reellen Permeabilität µ′ an. Die Zusammenhänge sind in Fig. 9 dargestellt. Die zeitabhängigen Vorgänge im Kernmaterial lassen sich auch so interpretieren, daß der Kernquerschnitt des magnetischen Materials sich nicht mehr als eine Konstante verhält, d.h. der für die Energieübertragung maßgebliche Anteil A_e des Kernquerschnitts A ist bei jeweils gleichem Kernmaterial ab dem Beginn eines Impulses eine Funktion der Zeit:


wobei f(H,t) eine Funktion von µ′ und µ˝ ist. Diese Funktion ist sehr kompliziert, so daß die Vektorveranschaulichung übersichtlicher erscheint.

[0034] Derzeit ist offensichtlich kein magnetischer Werkstoff auf dem Markt, mit dem Umpolarisationen im Molekularbereich zeitlich in etwa 500 ns im gesamten linearen Bereich der Hysteresekurve möglich sind. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, zur Behebung der nachteiligen Wirkungen dieser zeitabhängigen Effekte einen Teil der Energieübertragung nicht über das Kernmaterial stattfinden zu lassen, d.h. die zeitabhängigen Effekte zu umgehen. Durch die Messungen am vorgenannten Transformator ergab sich die Konstruktion des erfindungsgemäßen Transformators.

[0035] Es wurde aus den obigen Erkenntnissen ein Transformator in Mantelbauweise entwickelt, der einen möglichst spaltfreien Kern aus ferromagnetischem Material und zumindest eine Primär- und Sekundärwicklung aufweist. Mindestens eine Wicklung und zwei bevorzugt die Sekundärwicklung ist als Folienwicklung ausgebildet, und die Primär- und Sekundärwicklungen sind mit einer dazwischen liegenden Isolierschicht als Zylinderwicklungen aufeinander gewickelt. Eine stromführende Teilwicklung der Primärwicklung ist jeweils einer stromführenden Teilwicklung der Sekundärwicklung benachbart.

[0036] Bei diesem erfindungsgemäßen Transformator erfolgt die Leistungsübertragung vorteilhaft über beide Pfade, d.h. über die direkte Kopplung der Wicklungen und über den magnetischen Pfad durch den Kernwerkstoff. Eine Ersatzschaltung für die Transformatorfunktion ist eine Parallelschaltung zweier Widerstände Z_W und Z_M(t), von denen sich einer (Z_M) mit der Zeit ändert. Entsprechend ist die Energieübertragung, d.h. der Energiedurchsatz, auf beiden parallelen Pfaden zeitabhängig. Die Ersatzschaltung ist in Fig. 10 veranschaulicht.

[0037] Auf dem ersten Pfad mit direkter Kopplung über die Wicklungen (Z_W) erfolgt die Energieübertragung elektrisch, dann elektromagnetisch und wieder elektrisch. Dieser Pfad steht ohne Zeitverzögerung voll zur Verfügung. Zur Begünstigung der Energieübertragung über diesen Pfad ist die aktive Oberfläche einer Wicklung vergrößert worden, indem diese Wicklung als Folienwicklung ausgebildet ist. Des weiteren ist das Ausmaß der Energieübertragung durch die räumliche Zuordnung der Wicklungen zueinander erhöht worden, deren Näne vorteilhaft für den Wirkungsgrad der elektromagnetischen Energieübertragung ist. Diesem Zweck dient auch die benachbarte Anordnung von stromführenden Teilwicklungen der Primär- und Sekundäwicklungen.

[0038] Die Energieübertragung über den zweiten Pfad, d.h. über den magnetischen Werkstoff, erfolgt zeitverzögert aufgrund der Kornorientierungen, wobei der Stromanstieg dI/dt während der Umorientierungen, d.h. während der Zeit t*, die etwa 65% der Halbperiodendauer für Taktfrequenzen bis etwa 100 kHz beträgt, komplex ist. Der zeitlineare Stromanstieg der Induktivität bleibt dabeinach Anlegen einer Sprungfunktion erhalten. Ferner werden parasitäre Induktivitäten bedämpft und die Schwingneigung unterdrückt.

[0039] Für die magnetischen Kraftlinien wird durch den magnetischen Kern ein bevorzugter Pfad außerhalb des Spulenwickelbereichs bereitgestellt. Aufgrund der langsamen Kornorientierung erfolgt bei hohen Frequenzen in der Sekundärspule keine Rückbildung der Flußänderung in eine Spannung. Dies bedeutet, daß keine Induktion mehr stattfindet; die Phasendifferenz steigt mit zunehmender Taktfrequenz, und die Sekundärspannung bleibt sozusagen stehen. Die Vorgänge im Kern ähneln den Vorgängen im durchgeschalteten Transistor. Insgesamt erfolgt die Energieübertragung über den zweiten Pfad elektrisch, elektromagnetisch, magnetisch, elektromagnetisch und wieder elektrisch. Die Dimensionierung des erfindungsgemäßen Transformators kann auf herkömmliche Weise gemäß Gleichung (1) erfolgen. Die Festlegung der Induktionsänderungen ΔB auf der Hysteresekurve und die Dachschräge der Impulse des Magnetisierungsstroms werden ebenfalls in üblicher Weise festgelegt. Mit dem erfindungsgemäßen Transformator können hohe Leistungen (mehrere kW) und Ströme von über 100 A übertragen werden.

[0040] Durch die Kombination der beiden Energieübertragungspfade ist das Übertragungsverhalten des erfindungsgemäßen Transformators verbessert. Die Impulsdauer ist verlängert, so daß die effektive Energieübertragungsdauer größer ist. Die Umschältzeit von Umax auf Umin und umgekehrt ist stark, bis in den Bereich von weniger als 1 µs, verkürzt. Dies beruht darauf, daß die Energieübertragung zunächst über die Wicklungskopplung (Pfad 1) und dann auch über die magnetische Kopplung (Pfad 2) erfolgt. Ein zeitlicher Versatz der Ausgangssignale des erfindungsgemäßen Transformators beruht im wesentlichen nur noch auf den Umschaltzeiten von in der zugehörigen Schaltung verwendeten Transistoren etc.. Der erfindungsgemäße Transformator ermöglicht daher Kurvenformen mit extrem steilen Flanken bis in den ns-Bereich. Das Impulsdach der Ausgangssignale des Transformators ist sehr flach, im wesentlichen horizontal. Die noch vorhandene Dachschräge beruht auf dem Magnetisierungsblindstrom. Je geringer sie ist, um so besser ist der Transformator. Durch das Ausbleiben von Strom- bzw. Spannungsspitzen im Transformatorausgangssignal sind die Bauteile der zugehörigen Schaltung besser ausnutzbar, da sie auf die maximale Belastung ausgelegt werden müssen.

[0041] Vorteilhaft beim erfindungsgemäßen Transformator ist auch, daß infolge seines besseren Energieübertragungsvermögens sein Leistungsgewicht gegenüber herkömmlichen Transformatoren wesentlich verbessert ist. Des weiteren kommt es beim Betrieb des erfindungsgemäßen Transformators zu einer weitaus geringeren Erwärmung, z.B. wurden trotz geringerer Leistungsbeaufschlagung eines herkömmlichen Transformators (Abgabeleistung 0,5 kW) bei diesem 65°C, bei dem erfindungsgemäßen Transformator (2,6 kW) hingegen nur 32°C Temperatur am Kern gemessen. Eine Kühlung ist daher nicht erforderlich.

[0042] Der Kern des erfindungsgemäßen Transformators wird möglichst spaltfrei ausgebildet, wobei unter Spalten auch die mit Klebstoff ausgefüllten Hohlräume verstanden werden und nur noch zwangsläufig fertigungsbedingte Größen hingenommen werden. Dies erfolgt zur Erhöhung der Permeabilität µ. Es wird bevorzugt ein magnetisches Kernmaterial verwendet, dessen Hysteresekurve Z-Form aufweist. Günstig ist eine steile B-H-Kurve für den erfindungsgemäßen Gegentakt-Durchflußwandler. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Kernmaterial Ferrit, das sehr kostengünstig ist.

[0043] Als vorteilhaft hat sich im Einsatz auch ein Kern vom Wickelbandkern-Typ erwiesen, der für einen größeren Umgebungstemperaturbereich einsetzbar ist und höheren Anforderungen an die Materialeigenschaften genügt. Die Curie-Temperatur und die Induktion sind bei diesem Kerntyp größer, die magnetische Feldstärke H kleiner. Eine vorteilhafte Bauform für den Kern ist die E-E-Bauform. Besonders günstig ist die Verwendung von vier U-Teilen, die ein noch größeres Wickelfenster ergibt. Die Auswahl der Bauformen und Materialien des magnetischen Kerns sowie die technische Durchführung bzw. Realisierung des magnetischen Pfades sind ausschlaggebend für die spätere Verwendung des Transformators.

[0044] Beim erfindungsgemäßen Transformator ist stets ein Sekundär(teil)wicklung zwischen einer Primär(teil)wicklung und dem Kernmittelsteg angeordnet, wodurch die Wicklungskopplung begünstigt ist. Zweckmäßig ist dabei eine folienförmige Ausbildung der Isolierung zwischen benachbarten Wicklungen, wodurch erreicht werden kann, daß die Primär- und Sekundärwicklungen dicht beieinander angeordnet sind. Dies verbessert wiederum die Kopplung.

[0045] Zur Verbesserung der Wicklungskopplung ist bei der Erfindung zwischen der Primärwicklung und dem Außensteg des Kerns eine Sekundär(teil)wicklung angeordnet. Dabei ist im Fall einer Primär- und einer Sekundärwicklung die Sekundärwicklung vorteilhaft in zwei Teilwicklungen aufgeteilt, die die Primärwicklung umgeben. Hierdurch wird ein symmetrischer Feldlinienverlauf des elektromagnetischen Feldes im Wicklungsbereich erzielt, der für die kernfreie Übertragung bevorzugt ist. Besonders günstig ist, wenn der Wicklungsabstand vom Mittelsteg etwa gleich dem Wicklungsabstand vom Außensteg des Kerns ist. Durch diese Wicklungsanordnung wird erreicht, daß die maximale Kraftliniendichte im Bereich der Wicklung und nicht im Kernmaterial vorliegt.

[0046] Eine besonders einfache Ausbildung des Transformators mit nur einer Primär- und nur einer Sekundärwicklung ergibt sich, wenn die Primärwicklung auf die Sekundärwicklung gewickelt ist.

[0047] Eine besonders sichere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Transformators ergibt sich bei Anordnung einer beidseitig isolierten einlagigen Metallfolie mit herausgeführtem Anschluß, jeweils zwischen Primär- und Sekundärwicklung, wobei der Anschluß mit dem Schutzleiter verbunden ist. Hierdurch sind der Berührungsschutz gegen Netzpotential und die Funkstörsicherheit verbessert.

[0048] In bestimmten Anwendungsfällen ist es erwünscht, die Energieübertragung zwischen Sekurdër- und Primärwicklung gesteuert zu unterbrechen, d.h. die Energie muß getastet, rasch abgeschaltet werden. In diesem Fall wird zweckmäßig eine möglichst einlagige extern kurzschließbare Wicklung (vorzugsweise aus dünnen Drähten) als Hilfswicklung zwischen der Primär- und Sekundärwicklung angeordnet. Durch die möglichst dünne Ausbildung der Kurzschlußwicklung wird erreicht, daß der Abstand zwischen benachbarten Wicklungen gering bleibt, um den Koppelfaktor nicht unnötig zu beeinträchtigen. Bei Verwendungen von zwei Kurzschlußwicklungen K_1,2 sieht die Wicklungsanordnung bei jeweils zwei Primär- und Sekundärwicklungen P_1,2 und S_1,2 z.B. folgendermaßen aus: S₁, K₁, P₁, P₂, K₂, S₂ (von innen nach außen, ohne Isolierung).

[0049] In vielen Fällen kommt es bei herkömmlichen Transformatoren zu einer Verfälschung des zeitlichen Verlaufs des Sekundärspannungssignals bezüglich des Primärspannungssignals. Auch bei einem gegen Null gehenden Generatorinnenwiderstand treten sich zeitlich ändernde Rückwirkungen des magnetischen Kerns auf die Sekundärwicklung auf. Der Betrieb von Transformatoren ist daher insbesondere bei impulsbreitenmoduliertem Betrieb problematisch, wenn nicht unmöglich. Diese Schwierigkeiten werden sowohl beim neuartigen Transformator als auch bei herkömmlichen Transformatoren erfindungsgemäß durch Verwendung von kurzschließharen Wicklungen mit externer Beschaltung behoben bzw. verringert. Letztere ermöglicht es auch, die Übertragungseigenschaften des Transformators zu ändern, und ermöglicht insbesondere eine naturgetreue, potentialfreie Übertragung von Leistungsimpulsen. Dabei hat sich sogar ohne externe Beschaltung eine Verbesserung des Übertragungsverhaltens herausgestellt.

[0050] Die Anordnung der kurzschließbaren Wicklung kann dabei auch neben der Primärwicklung sein, wenn diese als Drahtwicklung ausgebildet ist und sich nicht übei die gesamte Wickelbreite erstreckt, so daß die zugeordnete äußere Sekundär(teil)wicklung auf beide Wicklungen gemeinsam aufgewickelt wird. Die zugehörige Schaltung ist dabei derart, daß die symmetrische Primärwicklung des Transformators weich, über Dioden und über zwei im Gegentakt arbeitende Schalter wechselseitig an eine positive Versorgungsspannung bei einer Taktfrequenz von etwa 20 bis 100 kHz angeschlossen (bei Stromfluß I mit gegen Null gehendem Innenwiderstand R_i und bei I = O sowie auch bei V → O mit R_i → O) und die kurzschließbare Wicklung (Hilfswicklung) über einen Transistor geschaltet wird. Die zusätzliche Wicklung wird kurzgeschlossen, wenn beide Schalter offen sind, d.h. wenn keine der beiden Primärteilwicklungen stromdurchflossen ist. Durch elektrische Kopplung mit den Transformatorwicklungen und Reaktion in den übrigen Wicklungen, insbesondere die große Nähe der Hilfswicklung zur Sekundärwicklung, wird der gezielte Kurzschluß in der Sekundärwicklung stärker wirksam als der Einfluß des Kernmaterials.Die elektromagnetischen Vorgänge in der Wicklung werden auf diese Weise von denen im magnetischen Kernmaterial abgekoppelt, wenn eine Energiezufuhr von außen nicht vorliegt. Magnetische Rück- und Wechselwirkungen sind auf diese Weise abgeblockt. Die Rückwirkung der Spuleninduktivität ist stark herabgesetzt. Daher findet während dieser Zeit durch das sich ändernde Magnetfeld keine Induktion in der Wicklung statt. Hierdurch wird erreicht, daß die Sekundärspannung U_s auf Null geht, so daß das Ausgangssignal des Transformators in der Impulsform im wesentlichen eine 1: 1-Abbildung des Eingangssignals darstellt. Es können bei 10 µs langen Vollperiodendauern der Primärspannungsimpulse z.B. Sekundärspannungsimpulse mit Flankensteilheiten von nur etwa 100 ns (Anstiegszeit) und 200 ns (Abfallzeit) erzielt werden. Die Verfälschung im Zeitverhalten läßt sich so im Bereich von 25 kHz auf Werte unter 1% herabsetzen. Die beschriebene Abkopplung ist alternativ zu einer Abkopplung durch externe Beschaltung von Primär- und Sekundärwicklung. Die Betriebseigenschaften des Transformators sind somit stark verbessert, insbesondere ändern sich die Eigenschaften zwischen Leerlauf- und Lastbetrieb nicht mehr wesentlich. Sie ändern sich auch kaum mit Änderung des Tastverhältnisses.

[0051] Die erfindungsgemäße Verwendung einer kurzschließbaren Hilfswicklung ermöglicht eine vorteilhafte Ansteuerung von Transistoren im Floating-Betrieb. Des weiteren zweckmäßig ist die Verwendung bei der potentialfreien Übertragung schneller Spannungsanstiege.

[0052] Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Transformators ist zwischen dem Mittelsteg und der Wicklung ein zweckmäßig rohrförmig ausgebildeter Wickelkörper aus Isoliermaterial und zwischen der Wicklung und dem Außenkörper ein Isolierkörper angeordnet. Mittels dieser Isolierkörper werden Koronaeffekte verhindert und ein Isolierschutz sowie ein konstantes Dielektrikum geschaffen. Der Wickelkörper dient dabei nicht nur zur Halterung der Wicklung, sondern auch als Abstandkörper, um einen ausreichenden Abstand der Wicklung vom Mittelsteg zu gewährleisten. Hierdurch wird das Arbeiten des Transformators gut reproduzierbar.

[0053] Zwischen den Wicklungen werden vorteilhaft Isolierfolien angeordnet. Hierdurch wird ebenfalls erreicht, daß der Abstand zwischen Sekundär- und Primärwicklung möglichst gering ist, wodurch die Kopplung verbessert ist. Zweckmäßig ist die folienförmige Isolierung breiter als die Folienwicklung. Als geeignet hat sich z.B. ein Überstand von etwa 1 mm erwiesen. Bei zu geringem Überstand kommt es wegen der erheblichen Ladungsverschiebungen bei den hohen Arbeitsfrequenzen (MHz) zu Überschlägen und Ionisierungen im Randbereich, insbesondere an scharfen Kanten der Folie etc., und es besteht die Gefahr von z.B. Lagenkurzschlüssen. Ist der Überstand jedoch zu groß, so ist die wirksame Kopplungsfläche nachteilig klein. Für das Material der folienförmigen Isolierung wird vorteilhaft Kunststoff verwendet. Als günstig hat sich das Material Hostaphan (PETP) erwiesen, das eine sehr kleine Dielektrizitätskonstante hat.

[0054] Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Folienwicklung bei höheren Stromdichten und einer geringen Windungszahl. Durch die Folienfläche ist der Kopplungswirkungsgrad im bezug auf bekannte Transformatoren wesentlich erhöht. Aufgrund der großen Oberfläche kann mit einem größeren aktiven, d.h. an der Energieumsetzung beteiligten Leiterquerschnitt (Skin-Effekt) mit Stromdichten von 15 A/mm² und mehr gearbeitet werden. D.h., obwohl der Querschnitt an sich kleiner als bei herkömmlichen Wicklungen ist, ist der Wirkquerschnitt größer. Infolge der größeren aktiven Leitermasse wird das Leitermaterial trotz höherer Stromdichten weniger stark erwärmt, da die Wärme besser aus dem Wickelraum abgeleitet werden kann. Außerdem ist der dynamische Innenwiderstand der Folienwicklung sehr klein.

[0055] Durch die Folienwicklung verlaufen die Kraftlinien des magnetischen Feldes hindurch, so daß eine große Induktionsfläche zur Verfügung steht. Es kommt auch nicht mehr zu einer Divergenz der Kraftlinien an HF-Litzen und dergleichen, sondern vielmehr verlaufen die Kraftlinien des Feldes durch die Wickelfolie hindurch.

[0056] Bei herkömmlichen Transformatoren mit vergleichbaren Ausgangsströmen müssen die Stromdichten auf etwa 1,5 A/mm² herabgesetzt werden, was eine zusätzliche Gewichtserhöhung und eine Vergrößerung des Wickelraums bedeutet, so daß ein größerer Kerntyp ausgewählt werden muß. Beim erfindungsgemäßen Transformator hingegen ist weniger Wicklungsmaterial erforderlich.

[0057] Es wird auch weniger magnetischer Werkstoff benötigt und daher ist die Masse des erfindungsgemäßen Transformators gegenüber herkömmlichen Transformatoren wesentlich herabgesetzt, was eine Gewichts- und Materialkosteneinsparung bedeutet. Des weiteren sind die Fertigungskosten niedriger, denn folien sind wesentlich einfacher zu wickeln als andere Wicklungstypen. So müssen z.B. Kupferschienen gehämmert werden.

[0058] Der erfindungsgemäße Transformator eignet sich als reiner Leistungsimpulsübertrager insbesondere mit Taktfrequenzen zwischen etwa 20 und 100 kHz, Tastverhältnis 1: 1, und zwar sowohl zur Strom- als auch zur Spannungstransformation. Er stellt zuverlässig eine Potentialtrennung her. Vorteilhaft ist sein Einsatz zur Ansteuerung von Leistungstransistoren im Floating-Betrieb (Schaltregler-Netzteile).

[0059] Eine weitere vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Transformators in der Bauform mit extern kurzschließbarer Wicklung ist der Einsatz als schneller Energieimpulsübertrager. Dies beruht auf der extrem niedrigen Verzögerungszeit zwischen Eingangs/Ausgangssignal bei größeren Energien.

[0060] Der erfindungsgemäße Transformator ist auch vorteilhaft zur Tastung bzw. Impulsgruppenübertragung verwendbar, wenn es auf eine extrem kurze Impulsverzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal ankommt.

[0061] Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Transformators ist der Rückkopplungstransformator. Der Transformator ist dabei durch externe Beschaltung schnell abschaltbar, d.h. die Rückkopplung unterbrechbar. Dabei erfolgt eine scharfe Unterbrechung durch eine kurzschließbare Wicklung zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung. Die Güte des Transformators ergibt sich hierbei durch Differenzierung der Primärspannung an der Primärwicklung bei kurzgeschlossener Hilfswicklung und hochohmigem Generator.

[0062] Weitere Anwendungen des erfindungsgemäßen Transformators sind z.B. Leistungsimpulsübertrager, Strom-Meßtransformator, Modulationstransformator.

[0063] Der Transformator kann z.B. in einer Treiberstufe emgesetzt werden.

[0064] Das Ein- und Abschalten des positiven Basisstroms für den Schalttransistor erfolgt durch die bidirektionale Stromschaltung im Primärkreis des Transformators. Der erfindungsgemäße Transformator übertrifft in bezug auf die Steilheit der Anstiegsflanken und die kurze Verzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal alle bekannten Lösungen. Dabei sind insbesondere seine geringe Größe, die hohe Übertragungsgeschwindigkeit und die kostengünstige Herstellung von besonderem Vorteil. Die Potentialtrennung des Systems ergibt sich automatisch.

[0065] Vorteilhaft bei der Treiberstufe ist der einfachere Aufbau. So entfällt eine zusätzliche Hilfsspannungsquelle für den positiven Basisstrom, und das Signal und die Leistungsversorgung für den Leistungstransistor können mit dem gleichen Bauteil übertragen werden.

[0066] Je nach Verwendung der Treiberstufe ist der erforderliche Beschaltungsaufwand unterschiedlich. Bevorzugt umfaßt die Treiberstufe einen Logik-prozessor. Die größten Anforderungen stellt dabei die impulsbreitenmodulierte Energieimpulsübertragung, z.B. bei Schaltreglern hoher Leistung im Netzbetrieb. Bei einer solchen Anwendung, die im folgenden näher erläutert wird, wird die vom Treibertransformator übertragene, impulsbreitenmodulierte Rechteckspannung mittels schneller Dioden gleichgerichtet. Die Flankensteilheit des impulsbreitenmodulierten Impulses ist dabei die dominierende Größe für die Ein- und Ausschaltgeschwindigkeit des Basisstroms. Die Totzeit des Signalübertragungswegs ist dabei kürzer als die Zeit, in der ein Transistor mit nachgeschaltetem Kurzschluß im Dauerbetrieb thermisch zerstört würde. Die zwischen dem Transformator und der Basis des nachgeschalteten Schaltungstransistors angeordneten Bauteile und Schaltgruppen haben keinen Einfluß auf die Abschaltgeschwindigkeit des Schalttransistors, wobei die Flankensteilheit und Verzögerungszeit der Signale des positiven Basisstroms allein durch die Übertragungsfunktion des Transformators bestimmt sind. Das System hat somit bei der Signalübertragung eine extrem kurze Verzögerungszeit, die, wie erwähnt, insbesondere auf die Verknüpfung der Funktionen der Übertragung von Schaltbefehlen und der Übertragung der Basissteuerleistung für den Schalttransistor zurückzuführen ist. Es besteht dabei eine geringe kapazitive Kopplung zwischen Regelelektronik-Masse und Masse-Leistungspotential. Stromsignale und Hilfsenergie für nachgeschaltete Stufen können im Floating-Betrieb übertragen werden. Insbesondere die oben beschriebenen Vorteile ermöglichen bei Verwendung von "MIL-SPEC"-Bauteilen, die die Vorschriften für die Herstellung, Prüfung und Anforderungen für die Zulassung im militärischen Bereich erfüllen, die Verwendung der Treiberstufe im militärischen Bereich. Eine derartig ausgestattete Treiberstufe kann auch im zivilen Bereich bei erhöhten Anforderungen eingesetzt werden.

[0067] Die Treiberstufe läßt sich vorteilhaft auch als Hybrid-Baustein ausbilden, wodurch die Fertigungskosten infolge des geringeren Montageaufwands noch günstiger werden. Bei dieser Ausbildung der erfindungsgemäßen Treiberstufe ist auch der Platzbedarf wesentlich herabgesetzt und die Betriebssicherheit weiter erhöht.

[0068] Die Funktion der Treiberstufe besteht im wesentlichen darin, daß die positive Basisspannung mit extrem hoher Geschwindigkeit ein- und ausgeschaltet wird. Die Verzögerungszeit zwischen der Ansteuerung der Regelelektronik über eine potentialfreie Übertragungsstrecke im nachfolgenden Verstärker und dem Basiseingang des Schalttransistors wird extrem kurz gehalten. Die Verzögerungszeiten können dabei deutlich unter 1 Mikrosekunde betragen. Vorteilhaft ist, daß der übertragene Impuls direkt von der Stromtransformation über den vorgeschalteten Transformator übertragen wird. Es ergibt sich dabei, daß eine geringere Verstärkung benötigt wird. Die höhere Spannung macht kleinere Ströme erforderlich. So können beispielsweise mit 70 V und einem Stromtransformationsfaktor von 12 ein Schaltstrom von 10 A erhalten werden, wobei Schaltzeiten von 100 ns realisiert werden können. Die Verwendung nachgeschalteter Darlington-Ketten mit Schaltgeschwindigkeiten von etwa 10 µs beeinträchtigt die Funktion der erfindungsgemäßen Treiberstufe nicht, da derartige Schaltglieder nicht mehr als Schalter, sondern lediglich zur Stromregelung verwendet werden. Trotz der hohen Schaltgeschwindigkeiten können Spannungen bis zu 1000 V geschaltet werden.

[0069] Die Treiberstufe zeichnet sich durch besondere Betriebssicherheit aus. Sie ermöglicht eine Überwachung des Schalttransistors in Abhängigkeit von dessen Betriebszuständen, sowie eine Notabschaltung. Die Treiberstufe ist dabei so geschaltet, daß alle Schaltungen bezüglich des positiven Basisstroms als bevorzugte Stellung die Stellung Null (stromlos) haben, während dies in bezug auf den negativen Basisstrom umgekehrt ist, damit der Schalttransistor auf eine negative Basisvorspannung geclampt werden kann. Bezüglich der Schaltzeiten wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß sie sich auf die Spannungspegel 0 bzw. 100%, statt herkömmlich 10 bzw. 90%, beziehen. Die tatsächlichen, mit den üblichen Angaben vergleichbaren Angaben sind daher wesentlich besser.

[0070] Als besonders günstig hat sich bei der Treiberstufe die Verwendung eines Transformators mit Hilfswicklung erwiesen. Diese ermöglicht eine besonders gute funktionelle Trennung des Wicklungssystems vom Kernsystem, so daß die Trägheit der zeitlichen Abläufe im magnetischen Material nicht in das Übertragungsverhalten des Transformators eingehen. Durch eine externe Beschaltung besteht die Möglichkeit einer zeitstarren Verriegelung. Je schneller dabei die Logikverknüpfung arbeitet, umso schneller arbeitet der Transformator. Bei großer Aussteuerung längs der B-H-Kurve, etwa im Bereich von 500, 1000 Gauss, ist eine Verwendung einer extern kurzschließbaren Hilfswicklung unbedingt erforderlich. Wird der Kern weniger stark ausgesteuert, so daß sich die Eigenschaften des Magnetmaterials weniger stark bemerkbar machen, reichen Maßnahmen in der externen Beschaltung aus, beispielsweise eine harte Ansteuerung durch einen Generator.

[0071] Die Funktionen der Treiberstufe können erweitert werden, ohne ihre wesentlichen Eigenschaften zu verändern. Es gibt die Möglichkeit zweier Grundvarianten bei der erfindungsgemäßen Treiberstufe. Bei einer werden die Schaltbefehle für die negative Basisspannung aus dem positiven Basisstrom erzeugt. Alternativ kann eine Fremdversorgung miteiner negativen Basisspannung vorgesehen sein. Diese wird insbesondere bei langen Takt-Aus-Zeiten eingesetzt, z.B. bei ausgeschaltetem Schalttransistor, wodurch eine externe Hilfsversorgung erforderlich wird.

[0072] Die Treiberstufe wird vorteilhaft durch eine Laststromverzögerungseinrichtung ergänzt, die das Durchschaltverhalten des Schalttransistors verbessert. Bei niedrigen Spannungen wird sie nicht benötigt, ihr Einsatz ist jedoch bei Hochvolttransistoren sehr zweckmäßig. Eine bevorzugte Laststromverzögerungseinrichtung umfaßt eine Drosselspule und eine parallel geschaltete Diode in Sperrichtung zum Laststrom. Zweckmäßig wird die Wicklung der Drosselspule sehr dicht am magnetischen Kern angeordnet, wodurch entsprechend den Vorgängen im Kernmaterial des Transformators der Anteil der komplexen Induktivität in gewünschter Weise möglichst groß wird. Kornorientierungen und ähnliche, oben beschrieben Vorgänge bewirken dabei eine Signalverzögerung. Durch diese Anordnung der Drosselspule erweist sich, daß nicht der spezielle magnetische Werkstoff wesentlich ist, sondern vielmehr die Trägheit des magnetischen Materials. Die Auswahl des Kernmaterials kann daher nach wirtschaftlichen Erwägungen erfolgen, was die Kosten der Drosselspule günstig herabsetzt. Eine bevorzugte Bauform des Drosselspulenkerns ist ein kleiner Ringkern aus Ferrit.

[0073] Zweckmäßig ist der Basisstromregler aus einem zweistufigen Schaltverstärker und einem Leistungsstellglied aufgebaut. Das Leistungsstellglied besteht dabei aus einem Transistor und einem als Diode ausgebildeten Antisättigungsglied, die so geschaltet sind, daß der Spannungsabfall der Basis-Emitter-Strecke des Transistors und der Basis-Emitter-Strecke des Schalttransistors gleich dem Spannungsabfall des Antisättigungsglieds und der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors ist. Die Funktion dieses Stromregelglieds ist dabei, daß das als Diode ausgebildete Antisättigungsglied bewirkt, daß der überschüssige Basisstrom zum Kollektor hin geleitet wird.

[0074] Vorteilhaft ist die Treiberstufe mit einem Schaltverstärker versehen, durch den der Basisstromregler jederzeit abschaltbar ist. Hierdurch ist der Energiebedarf für den negativen Basisstrom erheblich herabgesetzt, und die Energieversorgüng für den negativen Basisstrom kann wesentlich geringer dimensioniert werden.

[0075] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Treiberstufe besteht darin, daß ein Entsättigungsüberwachungsglied im Logikprozessor einen Pegelsensor sowie ein Flip-Flop umfaßt, in dem der Schaltbefehl bei Überschreiten eines vorgegebenen Pegels des Basisstroms gespeichert ist. Das Flip-Flop ist dabei vorteilhaft derart geschaltet, daß es im stationären Zustand ausgeschaltet ist. Hierdurch ist insbesondere beim Einschalten eine erhöhte Sicherheit gewährleistet, da es zu keinen Fehlschaltungen des Schalttransistors kommt.

[0076] Die weiteren von der Erfindung angestrebten Ziele und Vorteile ergeben sich aus der folgenden, in Einzelheiten gehenden Erläuterung der Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die jedoch in keiner Weise als den Umfang der Erfindung einschränkend anzusehen sind, sondern lediglich zum Zwecke der Darstellung und Erklärung dienen. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer bekannten Treiberstufe,

Fig. 2 ein Diagramm, das schematisch die Übertragungsleistung in Abhängigkeit von der Frequenz und die Verwendung unterschiedlicher Transformator-Kernwerkstoffe und -Herstellungstechniken in den verschiedenen Frequenzbereichen veranschaulicht,

Fig. 3 eine Meßanordnung zur Bestimmung der Übertragungseigenschaften von Transformatoren bezüglich der Kernbauform und des Kernwerkstoffes,

Fig. 4 eine bei Versuchen mit der in Fig. 3 dargestellten Meßanordnung verwendete Meßschaltung,

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf (a) der Primärspannung, (b) des Primärstroms und (c) der Sekundärspannung bei den Versuchsmessungen,

Fig. 6 den zeitlichen Verlauf der Primärspannung gemäß Fig. 5 (a) in vergrößerter Darstellung,

Fig. 7 ein Vektordiagramm der Impedanz des magnetischen Materials,

Fig. 8 ein Vektordiagramm der Gesamtimpedanz des Kerns,

Fig. 9 ein Vektordiagramm der Permeabilität des magnetischen Materials,

Fig. 10 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Transformators,

Fig. 11 eine Querschnittansicht durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Transformators,

Fig. 12 ein Schaltschema des in Fig. 11 dargestellten Transformators,

Fig. 13 eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Transformators,

Fig. 14 einen vergrößerten Ausschnitt des in Fig. 13 dargestellten Transformators in Schnittansicht längs Linie A in Fig. 13,

Fig. 15 ein Schaltschema des in Fig. 13 dargestellten Transformators,

Fig. 16a eine Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Transformators,

Fig. 16b eine Schnittansicht längs der Linie A-B in Fig 16a,

Fig. 17 einen vergrößerten Ausschnitt entsprechend Linien C, C′ in Fig. 16b,

Fig. 18 ein Schaltschema des in Fig. 16 dargestellten Transformators,

Fig. 19 den zeitlichen Verlauf (a) der Primärspannung, (b) des Primärstroms und (c) der Sekundärspannung beim erfindungsgemäßen Transformator,

Fig. 20 eine Seitenansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Transformators mit Hilfswicklung,

Fig. 21 eine Schnittansicht eines Ausschnitts A einer ersten Variante des in Fig. 13 gezeigten Transformators,

Fig. 22 eine Schnittansicht eines Ausschnitts A einer zweiten Variante des in Fig. 20 gezeigten Transformators,

Fig. 23 ein Schaltschema des in Fig. 20 dargestellten Transformators,

Fig. 24 eine Meßanordnung zur Bestimmung der Übertragungseigenschaften von Transformatoren mit extern kurzschließbarer Hilfswicklung,

Fig. 25 Zeitdiagramme für eine in der in Fig. 24 gezeigten Meßanordnung verwendete Schaltung,

Fig. 26 (a) bis (g) das zeitliche Verhalten von Primärspannungs- und Sekundärspannungsimpulsen mit und ohne extern kurzschließbarer Wicklung,

Fig. 27 ein Prinzipsschaltbild einer Treiberstufe mit einem Transformator gemäß der Erfindung und

Fig. 28 ein Detail Schaltbild der Treiberstufe.

[0077] Im folgenden wird ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Transformators unter Bezugnahme auf die Fig. 11 und 12 erläutert. Der Kern 102 des Transformators ist ein E-E-Kern (E-E 65), dessen Außenstege 104, 104′ und Mittelsteg 106 bei einer Hälfte im Längsschnitt dargestellt sind. Das Kernmaterial ist Ferrit (z.B. FX3C8 der Firma Valvo).

[0078] Auf dem Mittelsteg 106 angeordnet ist die Wicklungsanordnung 120. Sie umfaßt einen Wickelkörper 122 aus einem Kunststoffmaterial, auf dem eine Primärwicklung 124 und zwei Sekundärteilwicklungen 126 und 128 aufgewickelt sind. Die Wicklungsanordnung ist dabei derart, daß die Sekundärteilwicklungen 126, 128 die Primärwicklung 124 umgeben. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind sämtliche Wicklungen Folienwicklungen. Bei der verwendeten Folie handelt es sich um eine 25 µm dicke und 40 mm breite Kupferfolie. Die Anschlüsse der Wicklungen sind in Fig. 11 schematisch jeweils mit E und A bezeichnet. Die Windungszahlen sind 22 (Primärwicklung) und jeweils 32 (Sekundärteilwicklungen).

[0079] Zwischen den Wicklungen und diese angebend sind Isolierungen 130, 132 bzw. 134 angeordnet. Sie sind im dargestellten Ausführungsbeispiel folienförmig aus Hostaphan (PETP) ausgeführt. Die verwendete Folie ist 0,2 mm dick und 44 mm breit. Der Überstand der folienförmigen Isolierung bezüglich der Folienwicklung beträgt daher etwa 2 mm.

[0080] Dieser Transformator eignet sich vor allem für Sonderfälle mit Ansteuerungen mit Tastverhältnis 1: 1. Ein bevorzugter Einsatz erfolgt bei der später beschriebenen erfindungsgemäßen Treiberstufe ohne Logikprozessor.

[0081] Das Schaltschema der Wicklungsanordnung ergibt sich aus Fig. 12. Der dargestellte Transformator ist für eine Leistung von 4 kW ausgelegt. Die Primärspannung ist 220 V Gleichspannung, die Sekundärspannung an den Sekundärteilwicklungen jeweils 320 V. Der maximale Primär- und Sekundärstrom ist 20 A. Die Windungsspannung ist daher 10 V pro Windung.

[0082] Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Transformators ist in den Fig. 13, 14 und 15 veranschaulicht. Fig. 13 zeigt eine Seitenansicht des Transformators, dessen Kern 102 wiederum in E-E-Bauform ausgeführt ist und aus Ferrit besteht. Die Außenstege 104, 104′ und der Mittelsteg 106 des Kerns umfassen eine Wickelkammer 108. Ein aus einem Kunststoff-Vierkantrohr hergestellter Wickelkörper, dessen Innendurchmesser etwa 0,5 mm größer als der Außendurchmesser des Mittelstegs 106 des Kerns 102 ist, ist ohne Seitenwände ausgebildet und umgibt den Mittelsteg. Auf den Mittelkörper sind die beiden Primärwicklungen 124 und 138 und jeweils zwei Sekundärteilwicklungen 126, 128 und 136, 140 aufgewickelt. Die Primärwicklungen 124, 138 sind aus Cu-Litzendraht (CuL-Draht). Die Sekundärteilwicklungen sind folienförmig aus Cu-Folien ausgeführt. Die Wicklungen der Primär- und Sekundärwicklungen sind dabei derart, daß jeweils eine Sekundärteilwicklung 126 bzw. 136 zwischen der zugeordneten Primärwicklung 124 bzw. 138 und dem Wickelkörper 122 liegt.

[0083] Zwischen den Wicklungen ist eine Isolierung angeordnet, bei der es sich um eine Kunststoffolie handelt, die bevorzugt aus Hostaphan (PETP) besteht. Die Breite der Isolierfolie ist etwa 1 mm geringer als die Länge des Mittelstegs 106 des Kerns 102 und sie ist etwa 2 mm größer, als die Breite der Kupferfolie beträgt.

[0084] Die Wicklungsanordnung ist in einem in Fig. 14 dargestellten vergrößerten Ausschnitt veranschaulicht, der eine Schnittansicht längs Linie A in Fig. 13 darstellt. Fig. 15 zeigt das Schaltschema der Wicklungen.

[0085] Der Transformator wird folgendermaßen hergestellt: Als erstes wird eine erste Sekundärteilwicklung 126 auf den Wickelkörper 122 aufgebracht, anschließend eine Isolierung 130. Danach wird eine erste Primärwicklung 124 in CuL-Wickkeltechnik auf dieser Isolierung aufgewickelt und darauf wiederum eine Isolierung 132 aufgebracht. Danach wird eine zweite Sekundärteilwicklung 128 aufgewickelt, die wie die erste Sekundärteilwicklung eine Wickelfolie ist. Hierauf wird wieder eine Isolierung 134 angeordnet. Entsprechend werden eine dritte Sekundärteilwicklung 136, eine vierte Isolierung 142, eine zweite Primärwicklung 138, eine fünfte Isolierung 144, eine vierte Sekundärteilwicklung 140 und eine sechste Isolierung 146 aufgebracht. Der Wicklungsanfang der einzelnen Wicklungen wird markiert, und die Leiterfolie wird mit Cu-Litze versehen. Vorteilhaft werden die Leiterfolie und die Isolierfolie gleichzeitig zur Isolierung der einzelnen Folienwindungen voneinander gewickelt. Der fertig gewickelte Wickelkörper wird anschließend auf dem Kern 102 montiert. Anschließend wird eine Montagehalterung für den Kern angebracht.

[0086] Der oben beschriebene Transformator ist einfach und kostengünstig herstellbar. Er ist für einen Temperaturbereich zwischen - 40°C und + 120°C einsetzbar. Seine Spannungsfestigkeit beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel 4 kV DC. Der Transformator arbeitet sehr zuverlässig und bietet den Vorteil minimaler Verzögerungszeiten bei der Impulsübertragung. Er ist insbesondere zur potentialfreien Leistungs-Impuls-Übertragung, z.B. mit einem Tastverhältnis 1: 1, geeignet.

[0087] Der Transformator des dritten Ausführungsbeispiels weist eine Wicklungsanordnung aus zwei Primärwicklungen 124, 138 und zwei Sekundärwicklungen 148, 150 auf. Fig. 16a zeigt eine Seitenansicht des Transformators, und Fig. 16b zeigt den Transformator im Querschnitt. Soweit der Transformator gleich dem Transformator des obenstehenden zweiten Ausführungsbeispiels ist, wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Transformator unterscheidet sich in der Wicklung von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Die beiden Primärwicklungen sind, von einer Isolierung 152 getrennt, einander benachbart angeordnet. Sie sind jeweils auf der anderen Seite von einer ihr zugeordneten Sekundärwicklung 148 bzw. 150 umgeben, die sich jeweils zum Kern hin abschirmend befindet, um die Wicklungskopplung zu begünstigen. Die Wicklungsanordnung ist in einem vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 16b im Bereich der Linien C, C′ in Fig. 17 veranschaulicht.

[0088] Fig. 18 zeigt das Schaltschema der Wicklungsanordnung.

[0089] Der Transformator des dritten Ausführungsbeispiels wird folgendermaßen hergestellt:

[0090] Die aus Wickelfolie bestehende Sekundärwicklung 148 wird auf den Wickelkörper 122 aufgewickelt und anschließend eine Isolierung 130 aufgebracht. Darauf wird die Primärwicklung 124, nachfolgend eine Isolierung 152 aufgebracht. Hierauf folgen die zweite Primärwicklung 138, eine weitere Isolierung 144, die zweite folienförmige Sekundärwicklung 150 und eine äußere Isolierung 146. Die Wicklungsanordnung wird dann auf dem Kern wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel angeordnet.

[0091] Dieser Transformator ist kostengünstig und einfach herstellbar und arbeitet mit hoher Zuverlässigkeit im Temperaturbereich zwischen _ 40°C und + 120°C. Seine Spannungsfestigkeit sind 4 kV DC. Aufgrund der Wicklungsanordnung ist die kapazitive Kopplung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen gering. Es können Leistungsimpulse mit hoher Flankensteilheit und geringen Verzögerungszeiten bei variablem Tastverhältnis übertragen werden.

[0092] Das in Fig. 19 a bis c dargestellte zeitliche Verhalten von Primärspannung, Primärstrom und Sekundärspannung veranschaulicht die Vorteile des erfindungsgemäßen Transformators, die im wesentlichen auf die erfindungsgemäße räumliche Anordnung der Wicklungen zueinander zurückzuführen sind. Die Impulsdauer ist im wesentlichen gleich der jeweiligen Halbperiode der Primärspannung. Der geringe Zeitversatz, d.h. die zeitliche Verzögerung t′ der Signal- bzw. Impulsanstiege beruht auf den Umschaltzeiten der in der Schaltung verwendeten Transistoren. Da das Impulsdach im wesentlichen horizontal ist, können die Schaltungsbauteile in ihrer Leistung sehr gut ausgenutzt werden. Die Restdachschräge des Primärstromsignals beruht auf dem Magnetisierungsblindstrom.

[0093] In den Fig. 20 bis 23 ist ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Transformators gezeigt, der mit einer Hilfswicklung versehen ist. Fig. 20 zeigt eine Seitenansicht des Transformators, ähnlich wie Fig. 13. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut beschrieben. Fig. 21 zeigt eine Schnittansicht des in Fig. 20 dargestellten, vergrößerten Ausschnitts einer ersten Variante der Wicklungsanordnung.

[0094] Auf einem einen Kern 102 umgebenden Wickelkörper 122 ist eine erste Sekundärteilwicklung 158 (mit Zwischenisolierung 166) aufgewickelt, die als Folienwicklung ausgebildet ist. Die Sekundärteilwicklung 158 ist mit einer Isolierung 168 umgeben. Die Primärwicklung 154, 156 ist als Drahtwicklung ausgebildet und erstreckt sich nicht über die gesamte Wickelbreite. Neben der Primärwicklung, d.h. ihren beiden Teilwicklungen, ist eine Hilfswicklung 162, 164 gewickelt. Die beiden Wicklungen sind mit einer Zwischenisolierung 172 versehen und von einer Isolierung 174 umgeben, und auf die beiden Wicklungen gemeinsam ist eine zugeordnete äußere Sekundärteilwicklung 160 mit Zwischenisolierung 180 und Außenisolierung 182 aufgewickelt.

[0095] Fig. 22 zeigt eine Schnittansicht des in Fig. 20 dargestellten, vergrößerten Ausschnitts einer zweiten Variante der Wicklungsanordnung. Auf einen einen Kern 102 umgebenden Wickelkörper 122 ist eine erste Primärteilwicklung 158 (mit Zwischenisolierung 166), sowie eine Isolierung 168 aufgewickelt. Die Sekundärteilwicklung und die Isolierung sind folienförmig ausgebildet. Auf die Anordnung ist eine erste Hilfsteilwicklung 162 aufgewickelt, die von einer Isolierung 176 umgeben ist. Darüber befindet sich die Primärwicklung 154, 156, die hier als Drahtwicklung ausgebildet ist, jedoch auch eine Folienwicklung sein kann. Die Primärwicklung wird von einer Isolierung 174 anschlossen, und darüber ist eine zweite Hilfsteilwicklung 164 mit Isolierung 178 angeordnet, auf die wiederum eine zweite Sekundärteilwicklung 160 mit Zwischenisolierung 180 und Außenisolierung 182 aufgewickelt ist.

[0096] Fig. 23 zeigt das Schaltschema der Wicklungsanordnung.

[0097] In Fig. 24 ist eine Meßanordnung zur Bestimmung der Übertragungseigenschaften von Transformatoren mit extern kurzschließbarer Hilswicklung gezeigt, bei denen es sich z.B. um die in den Fig. 21 und 22 gezeigten Transformatoren handeln kann. Ein Generator 50 mit einem Abblockkondensator 52, der mit einer Eingangsspannung U_E gespeist wird, umfaßt einen Oszillator 54, d.h. einen Impulsbreitenmodulator. Primärteilwicklungen 40a, 40b eines zu untersuchenden Transformators sind über zwei Dioden 56, 58 sowie zwei Schalter S1 bzw. S2 durch den Oszillator 54 weich ansteuerbar. Zwei Sekundärteilwicklungen 42, 44 des Transformators sind eingezeichnet, wobei die Beschaltung der Sekundärteilwicklungen lediglich angedeutet ist. Es können selbtverständlich auch mehr als zwei Sekundärteilwicklungen vorliegen. Eine Hilfswicklung 46, die extern kurzschließbare Wicklung, ist zwischen den Primär- und Sekundärteilwicklungen angeordnet. Die Wicklungsenden sind über Dioden 60 angeschlossen, wobei die Hilfswicklung 46 durch einen Schalter S3, der vorzugsweise als Transistor ausgebildet ist, schaltbar ist. Ein Dekodierglied 66 ist über parallel zu den Dioden 56 und 58 geschaltete Dioden 62 und 64 angeschlossen. Mit dem Dekodierglied 66 ist ein Verstärkungs-, d.h. Leistungsteil verbunden, der wiederum mit dem Schalter S3 verbunden ist.

[0098] Fig. 25 zeigt Zeitdiagramme der Schalter S1, S2 und S3. Darin ist veranschaulicht, daß der Schalter S3 immer dann betätigt ist, wenn die beiden anderen Schalter nicht betätigt sind, d.h. wenn die Primärspannung gleich Null ist.

[0099] Die in Fig. 24 gezeigte Meßanordnung arbeitet folgendermaßen. Der Pegel "0" der Primärspannung, d.h. der Generatorspannung, wird ausgewertet und für die Steuerung des Schalters S3 verwendet. Die Hilfswicklung 46 wird mittels des schnellen Leistungsschalters S3 und Klammerung der Wicklung während Impulspausen des Primärspannungssignals kurzgeschlossen. Dabei wird das Ansteuerungssignal über den Verstärker 68 verstärkt. Die Ausgangsspannung der Hilfswicklung wird über Dioden 60 gleichgerichtet.

[0100] Die zeitlichen Zusammenhänge der einzelnen Spannungen sind in Fig. 26 (a) bis (g) veranschaulicht. Fig. 26 (a) und (b) zeigen den Spannungsverlauf an den Primärteilwicklungen 40a und 40b entsprechend der Betätigung der Schalter S1 und S2. Fig. 26 (c) zeigt die theoretische, erwünschte Sekundärspannung. Fig. 26 (d) zeigt die ohne Hilfswicklung bei einer Wirklast mit nichtlinearem Stromanstieg (Basis-Emitter-Strecke eines Leistungstransistors) praktisch erzielte Sekundärspannung. Durch diese schiefe Last entsteht ein asymmetrischer Spannungsverlauf der Sekundärspannung, bezogen auf die Nullachse, der zur Erleichterung des Verständnisses nicht dargestellt wurde. Dieser Kurvenverlauf wird somit bei unbetätigtem Schalter S3 und freier Hilfswicklung erzielt.

[0101] Wie das Zeitdiagramm veranschaulicht, ist die Sekundärspannung nicht gleich Null, wenn die Primärspannung den Wert Null besitzt, sondern hat vielmehr einen Wert, der deutlich größer als Null ist. Die schraffierten Bereiche veranschaulichen die Abweichungen des Signalverlaufs zwischen der Primär- und der Sekundärspannung, auf die eine Verfälschung der Signale zurückzuführen ist.

[0102] Fig. 26 (e) veranschaulicht den bei aktivierter Hilfswicklung praktisch erzielten Verlauf der Sekundärspannungssignale. Der Verlauf entspricht im wesentlichen dem erwünschten Verlauf der Sekundärspannungsimpulse. Von Null abweichende Werte der Sekundärspannung wirken sich auf die weitere Signalverarbeitung nicht weiter störend aus, sind jedoch noch verringerbar. Dieses Zeitdiagramm wie auch alle anderen Zeitdiagramme basiert auf der Belastung des Transformators mit überwiegendem Wirkanteil (nichtlineare Stromspannungscharakteristik). In Fig. 26 (f) sind die Sekundärspannungsimpulse entsprechend dem in Fig. 22 (e) dargestellten Verlauf, jedoch zur Gegentaktsteuerung um 180° phasenverschoben. Fig. 26 (g) zeigt ein weiteres Zeitdiagramm, bei dem die positiven Impulse der beiden Sekundärwicklungen dargestellt sind und z.B. zur Ansteuerung von Transistoren mit positivem Basisstrom verwendbar sind.

[0103] Untersuchungen haben ergeben, daß der Innenwiderstand des Generators 50 keinen Einfluß auf das Verhalten des durch den Transformator mit Hilfswicklung gebildeten neuartigen Übertragungssystems ausübt.

[0104] Im folgenden, wird der Aufbau einer in der DE-OS 32 15 009 beschriebenen Treiberstufe unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben:

[0105] Eine Hilfsspannungsversorgung 202 dient für die Zufuhr der erforderlichen Spannung, wobei die Sekundärseite eines Transformators mit nicht gezeigter nachgeschalteter Gleichrichterschaltung schematisch angedeutet ist. Mittels dieser Hilfsspannungsversorgung kann eine positive und eine negative Hilfsspannung + U_h bzw.-U_h mit gemeinsamem Bezugspotential GND an einem Anschluß auf der Sekundärseite des Transformators erzeugt werden. Dieser potentialfreien Gleichspannungsquelle wird der positive Basistrom für einen anzusteuernden Schalttransistor 210 entnommen. Über die Hilfsspannungsversorgung werden auch Referenzspannungen für Pegeldetektoren erzeugt, da sich eine bessere Stabilität ergibt.

[0106] Für die schnelle, verzögerungsarme Ein- und Ausschaltung des positiven Basisstroms dient als Schalter 204 z.B. ein VMOS, d.h. ein Bauelement mit hoher Stromverstärkung. Mittels eines solchen VMOS wurden z.B. bei 16 A Stromfluß Schaltzeiten von etwa 200 ns realisiert, wobei durch Parallelschaltung dieser VMOS eine schnelle Schaltung noch höherer Ströme möglich ist. Ein dem Schalter 204 nachgeschaltetes Einschaltübersteuerungglied 206, das durch eine Parallelschaltung eines Widerstands 207 und eines Kondensators 208 gebildet ist, bewirkt während der Einschaltphase über den Kondensator 208 eine Überhöhung des Basisstroms, d.h. ein Auffüllen der Basiszone des Schalttransistors 210 mit Ladungsträgern. Während des stationären Zustands hingegen wird der Basisstrom durch das Einschaltübersteuerungsglied begrenzt. Ein mit dem Schalter 204 verbundener Stromregler 212 dient zum Regeln des positiven Basisstroms des Schalttransistors 210 im Bereich von dessen Kennlinie sowie zur Begrenzung des Basisstroms.

[0107] Ein Schalter 216 für den negativen Basisstrom, der ebenfalls ein VMOS-Bauteil umfaßt, ist mit dem Anschluß für die negative Hilfsspannung - U_h und über den Stromregler mit dem Kollektor des Schalttransistors verbunden. Dieser Schalter 216 dient zur potentialfreien Übertragung einer negativen Vorspannung zum Schalttransistor 210, wodurch der Schalttransistor bei höheren Kollektorspannungen betreibbar ist. Es wird ein Mindestpegel des negativen Basisstroms bereitgestellt für lange Pausenzeiten in der Ansteuerung, so daß beinachgeschalteten Leistungstransistoren mit höheren Kollektorspannungswerten gearbeitet werden kann. Die negative Vorspannung muß dabei vor Anliegen der Kollektorspannung vorhanden sein und auch im Störungsfall länger als die Kollektorspannung anliegen. Ferner gestattet der Schalter 216 ein rasches Ausräumen der Basiszone des Schalttransistors 210 im optimalen Ausschaltpunkt.

[0108] Eine Steuersignalaufbereitung 214 ist zur Aufbereitung eines Steuereingangssignals (z.B. 1 mA) vorgesehen. Der Eingang der Steuersignalaufbereitung ist entweder potentialfrei über einen Transformator oder einen Optokoppler oder ohne Potentialtrennung über eine einschaltbare Konstantstromquelle aussteuerbar. In der Signalaufbereitung erfolgt z.B. eine Strom/Spannungsumsetzung des Eingangssignals bei Ansteuerung mittels schaltbarer Konstantstromquelle.

[0109] Ein an die Hilfsspannungsversorgung 202 angeschlossener Logikprozessor 218 ist mit der Steuersignalaufbereitung 214, dem Schalter 204 für den positiven Basisstrom, dem Schalter 216 für den negativen Basistrom und dem Kollektor des Schalttransistors 210 verbunden. Mittels des Logikprozessors 218 wird der Arbeitspunkt auf der Kollektor-Emitter-Restspannungskennlinie des Schalttransistors 210 dauernd überwacht. Bei der Überschreitung von Grenzwerten wird ein schneller Impuls zur Abschaltung gegeben. Der positive Basisstrom wird automatisch geregelt und der negative Basisstrom im optimalen Punkt auf der Arbeitkennlinie eingeschaltet. Des weiteren wird die Signallaufzeit zwischen dem Eingang der Signalaufbereitung 214 und der Basis des Schalttransistors 210 verkürzt.

[0110] Mit der bekannten Treiberstufe verbunden ist eine dem Schalttransistor 210 vorgeschaltete Laststromverzögerungseinrichtung 220, die eine Drosselspule 222 und parallel geschaltet eine Diode 224 und einen Widerstand 226 umfaßt. Die Induktitivität der Drosselspule 222 bewirkt bis zum Erreichen der Sättigung eine Reduktion des Laststroms während der Einschaltphase. Über die parallele Serienschaltung aus Widerstand 226 und Diode 224 wird die in der Induktivität gespeicherte Energie verzögert abgebaut, so daß der Kollektorspannung überlagerte Spannungsspitzen vermieden werden. Die beschriebene Treiberstufe ermöglicht eine schnelle, verzögerungsarme Ein- und Abschaltung des positiven Basisstroms bei sehr hohen Schaltgeschwindigten und -strömen sowie äußerst kurzer Zugriffszeit beim Ein- und Ausschalten des Schalttransistors.

[0111] Nachteilig bei der bekannten Treiberstufe ist die aufwendige Beschaltung. Es muß eine potentialfreie Gleichspannungsquelle vorgesehen werden, deren Gleichspannung durch das spezielle, zudem relativ teuere VMOS-Bauteil zerhackt werden muß, um die Steuerspannung zu erhalten. Infolge des Widerstandes des VMOS muß eine recht hohe Basisspannung erzeugt werden, was wiederum eine aufwendigere Spannungserzeugung bedeutet und eine große Steuerleistung erforderlich macht. Hinzu kommen widerstandsbedingte (z.B. VMOS) Wärmeverluste, die nachteilig sind und ggf. Kühlmaßnahmen erfordern.

[0112] Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 27 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen magnetischen Treiberstufe näher erläutert. Gleiche Teile, wie sie bereits in der elektronischen Treiberstufe enthalten sind, die in Fig. 1 gezeigt ist, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut beschrieben. Eine

[0113] Hilfsspannungsversorgung 202 ist bereitgestellt, um einen minimalen Basispegel für den negativen Basisstrom bei langen Pausenzeiten in der Ansteuerung bereitzustellen. Über diese Hilfsspannungsversorgung werden auch Referenzspannungen für Pegeldetektoren erzeugt.

[0114] Das Kernstück der magnetischen Treiberstufe ist ein Transformator 230, mit dessen Sekundärseite ein Logikprozessor 218 verbunden ist. Sekundärseitig sind schnelle Dioden 232 und 234 angeschlossen. Mit der Transformatorstufe verbunden ist ein Einschaltübersteuerungsglied 206, das über einen Stromregler 212 mit einem Schalttransistor 210 über dessen Basis verbunden ist. Ein Schalter 216 ist zum Schalten des negativen Basisstroms vorgesehen. Der Logikprozessor 218 ist mit dem Kollektor des Schalttransistors 210, sowie mit dem Stromregler 212 und dem Schalter 216 verbunden.

[0115] Außerdem ist eine Laststromverzögerungseinrichtung 220 mit dem Kollektor des Schalttransistors 210 verbunden. Die Wicklung der Drosselspule 222 ist dabei möglichst dicht am magnetischen Werkstoff angebracht, um durch die magnetischen Eigenschaften des Kernmaterials eine möglichst große Verzögerung des Lastsignals zu erzielen.

[0116] Die Funktion der erfindungsgemäßen Treiberstufe wird im folgenden weiter unter Bezugnahme auf Fig. 28 erläutert, die ein detailliertes Schaltbild zeigt, aus dem auch die Struktur des Logikprozessors 218 weiter hervorgeht.

[0117] Der erfindungsgemäße Logikprozessor 218 hat mehrere Aufgaben zu erfüllen. So umfaßt er beispielsweise eine Entsättigungsüberwachung mit einem Pegelsensor und einem Flip-Flop mit einer Funktionsweise, die erheblich von der klassischen Bauweise solcher Schaltungen abweicht. Der Pegelsensor umfaßt einen Transistor 236 und eine mit dessen Emitter verbundene Diode 242, die kollektorseitig mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransitors 210 verbunden ist. Mit dem Kollektor des Transistors 236 verbunden ist eine Serienschaltung aus einer Diode 244 und einem Widerstand 246, sowie eine dazu parallele Serienschaltung aus einem Widerstand 248 und einer Diode 250. Mit der Basis des Transistors 236 verbunden ist ein einstellbarer Widerstand 240, dessen anderes Ende an ein GND-, d.h. Ground-Potential, angeschlossen ist. Das GND-Potential stellt das Bezugspotential für die positive und negative Basisspannung und auch für die Referenzpegel dar. Auf diesem Potential liegt auch der Emitter des Schalttransistors 210 sowie die Mittelzapfung der Transformatoren 230 und 202. Mit dem anderen Ende ist der einstellbare Widerstand 240 mit einem weiteren Widerstand 238 verbunden, der über einen weiteren Widerstand 276 mit einem Anschluß der Hilfsspannungsversorgung 202 verbunden ist, während deren anderer Anschluß über einen Kondensator 278 mit einer GND-Leitung 282 verbunden ist.

[0118] Das Flip-Flop umfaßt zwei Transistoren 252 und 254. Der Emitter des Transistors 254 ist mit dem einen Anschluß der Hilfsspannungsversorgung 202 verbunden, sowie mit dem Kondensator 278. Mit dem Emitter ist ein Widerstand 260 verbunden, dessen anderes Ende mit der Basis des Transistors 254 verbunden ist. Der Eingang 253 der Stufe, deren Hauptteil der Transistor 254 ist, ist gleichzeitig über die Diode 258 mit der Basis des Transistors 254 und über eine Diode 256 mit dem Kollektor des Transistors 254 verbunden. Der Eingang 253 ist über die Diode 250 und den Widerstand 248 mit dem Kollektor des Transistors 236 verbunden. Gleichzeitig ist der Eingang über eine Diode 270 und einem Widerstand 268 und eine Zenerdiode 269 mit dem Kollektor des zweiten Transistors 236 des Flip-Flops verbunden. Der Kollektor des Transistors 254 steht über einen Widerstand 262 mit dem zweiten Transistor 252 des Flip-Flops in Verbindung, der ebenfalls mit zwei Dioden 264, 266 und einem Widerstand 267 beschaltet ist, während zwischen die beiden Kollektoren der Transistoren 252 und 254 eine Zenerdiode 269 sowie eine reihenschaltung eines Widerstands 268 und der Dioden 270 und 256 geschaltet sind. Die beiden Dioden 250 und 270 bilden ein ODER-Gatter.

[0119] Der Pegelsensor für den positiven Basisstrom und die Entsättigungsüberwachung werden aus einer internen Referenzspannung (im gezeigten Beispiel: Diode 292 und Kondensator 296) gespeist. Der vom Pegelsensor abgegebene Impuls ist sehr kurz und wenig energiereich, da seine Ladungsmenge durch die Teilladung eines kondensators 272 bestimmt ist. Der Impuls wird gleichzeitig an einen zweistufigen Verstärker, bestehend aus Transistoren 298 und 274 angelegt, des weiteren an den Setzeingang des Flip-Flops mit den Transistoren 252 und 254. Auf diese Weise wird der kurze Spannungsimpuls des Pegelsensors während einer Periode gespeichert, bis der Pegel des positiven Basisstroms unter einen unteren Schwellenwert absinkt. Hierdurch fällt die Selbsthaltespannung des Flip-Flops unter die Zenerspannung der Diode 269, und das Flip-Flop kippt in den ursprünglichen bevorzugten stabilen Zustand zurück (Aus-Signal; Null). Das Flip-Flop ist dabei so geschaltet, daß es infolge des stabilen Pegels Null beim Einschalten sicherstellt, daß es zu keinen Fehlschaltungen des Schalttransistors 210 kommt. Hierdurch ist die Sicherheit der erfindungsgemäßen Treiberstufe erhöht. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Strombelastung gering gehalten werden kann.

[0120] Die Aktivierung der Entsättigungsüberwachung bedingt durch den Ladevorgang des Kondensators 272 über einen Widerstand 273, ist somit während der Dauer der Einschaltverzögerung des nachgeschalteten Schalttransistors verzögert und wird für jeden Arbeitszyklus über den Transistor 274 neu gestartet. Bei auftretender Entsättigung (nicht mehr ausreichender Basisstrom) des Schalttransistors 210 erfolgt folgende Routine. Der Befehl Entsättigung wird ausgewertet und gespeichert. Dann wird der negative Basisstrom unverzüglich eingeschaltet und der Stromregler für den positiven Basisstrom abgeschaltet. Der Schaltzustand wird gespeichert, bis eine neue Einschaltung durch einen Impuls des Treibertransformators erfolgt. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß der negative Basisstrom ohne Verzögerung eingeschaltet wird. Bei einer steuersignalbedingten Abschaltung der Treiberstufe ist hingegen eine Verzögerung des Beginns des negativen Basisstroms erforderlich. Es wird ein Ausschaltbefehl an den Stromregler 212 für den positiven Basisstrom erarbeitet und abgegeben und die Einschaltung des negativen Basisstroms verzögert. Der Entsättigungspegel am nachgeschalteten Schalttransistor wird überwacht und ausgewertet. Nach Erreichen des vorgegebenen Sättigungspegels wird wiederum die vorbeschriebene Routine (auftretende Entsättigung) ausgelöst.

[0121] Die Steuerung für den positiven Basisstrom umfaßt einen Pegelsensor, eine Speicherstufe und eine Ausschaltverzögerung im Logikprozessor 218. Der Pegelsensor umfaßt einen Transistor 294, dessen Emitter über einen Widerstand 284 mit der Diode 232b verbunden ist. Der Kollektor ist über einen Widerstand 286 angeschlossen. Die Basis ist über einen einstellbaren Widerstand 290 mit der Leitung 282 verbunden, dessen anderes Ende über einen weiteren Widerstand 288 mit den Widerständen 238 bzw. 276 verbunden ist. Parallel zur Serienschaltung der beiden Widerstände 288 und 290 ist eine Parallelschaltung aus einem Kondensator 296 und einer Zenerdiode 292 angeschlossen. Die Speicherstufe umfaßt zwei Transistoren 274 und 298. Der Kollektor des Transistors 298 ist über eine Serienschaltung aus einer Diode 300, einem Widerstand 302 und einer weiteren Diode 304 mit dem Kollektor des Transistors 274 verbunden. Der Emitter des Transistors 274 ist mit der Diode 232b verbunden, die über einen Widerstand 306 mit der Basis des Transistors 274 in Verbindung steht, mit der auch eine Diode 308 verbunden und über den Widerstand 302 und die Diode 300 mit dem Kollektor des Transistors 298 verbunden ist. Vor der Diode 304 verzweigt sich eine Schaltung, bestehend aus einer Diode 310, eine Diode 312, einem Widerstand 314 und einer Diode 316. Die Basis des Transistors 298 ist über zwei Dioden 318 und 320 angeschlossen, die zusammen mit einem RC-Glied (Widerstand 322, Kondensator 324) die Ausschaltverzögerung bildet. Die Dioden 316, 318 bilden zusammen eine Antisättigungsschaltung für den Transistor 298. Die Dioden 312, 313 bilden ein ODER-Gatter.

[0122] Die Steuerung für den positiven Basisstrom arbeitet folgendermaßen. Ein als Schaltverstärker wirkender Transistor 332 wird über eine Serienschaltung eines Widerstands 326, der mit der Leitung 282 verbunden ist, einer Diode 328 und einer Diode 330 im durchgeschalteten Zustand gehalten, der der bevorzugte Schaltzustand ist. Wird eine vorgegebene Schwelle überschritten, so schaltet der Transistor 294 des Pegelsensors den Transistor 298 durch, der wiederum den Transistor 332 (Schaltverstärker) ausschaltet, sowie den als Verstärker wirkenden Transistor 274 einschaltet. Durch ein Rückkoppelnetzwerk bleibt die Schaltung im stabilen Zustand. Diese Selbsthaltung wird durch Absinken des Energieimpulses auf einen unteren Schwellwert unterbrochen, indem die Basisspannung durch einen Teiler, bestehend aus einem Widerstand 334 und dem Widerstand 314 unter die Durchschaltspannung des Transistors 298 absinkt. Über das RC-Glied 322, 324 wird der Transistor für eine definierte Zeitdauer noch durchgeschaltet gehalten. Durch die Entsättigungsüberwachungseinrichtung wird die Einschaltung des negativen Basisstroms ausgelöst. Wenn die Auslösung in dem vorgegebenen Zeitraum nicht erfolgt, erfolgt die Einschaltung durch die Ausschaltung des Transistors 298. Die Entsättigungsüberwachung hat dabei stets Priorität.

[0123] Der Stromregler 212 für den Basisstrom umfaßt einen Schaltverstärker im Logikprozessor 218 und ein Leistungsstellglied. Der Schaltverstärker umfaßt zwei Transistoren 336 und 338. Das Leistungsstellglied umfaßt einen Transistor 340, dessen Emitter mit der Basiselektrode des Schalttransistors 210 verbunden ist und dessen Kollektor an das Einschaltübersteuerungsglied 206 angeschlossen ist. Die Diode 342 ist mit einem Ende auf dem Potential der Basis des Transistors 340 und am anderen Ende auf dem Potential des Kollektors des Schalttransistors 210 gehalten. Die Stromregelung erfolgt über Spannungsabfälle an Dioden. Dabei stellt sich der Strom an der Basis des Transistors 340 derart ein, daß der Spannungsabfall der beiden Diodenstrecken Basis-Emitter im Transistor 340 in Serie mit der Diodenstrecke Basis-Emitter des Schalttransistors 210 gleich dem Spannungsabfall über der Diode 342 und der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors 210 ist. Fällt die Kollektor-Emitter-Spannung, so verringert sich der Basisstrom am Transistor 340, bis das Gleichgewicht wieder hergestellt ist.

[0124] Der Stromregler kann mittels des Transistors 332, der den Schaltverstärker bildet, auch während des Betriebs ausgeschaltet werden, ohne daß der Energieimpuls Null werden müßte. Hierdurch ist der Energiebedarf für den negativen Basisstrom erheblich herabgesetzt.

[0125] Der Schalter 216 für den negativen Basisstrom, bestehend aus Transistoren 344, 346 wird durch den Ausgang des vorher beschriebenen Logikprozessors 218 angesteuert.

Ansprüche

1. Transformator, insbesondere Leistungstransformator in Mantelbauweise, mit einem Kern (102) aus ferromagnetischem Material und mit zumindest einer Primär- und einer Sekundärwicklung (124; 138; 154, 156 bzw. 126, 128; 136, 140; 148, 150, 158), von denen zumindest eine eine Folienwicklung ist und die als Zylinderwicklungen mit dazwischen liegenden Isolierschichten (130, 132, 134, 142, 144, 146, 152, 168, 178) auf einen auf den Mittelsteg (106) des Kernes (102) aufgesetzten Wickelkörper (122) aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem insbesondere für Frequenzen zwischen 20 kHz und 100 kHz betreibbaren Transformator die Sekundärwicklung (126, 128; 136, 140; 148, 150, 158) eng mit der Primärwicklung (124; 138; 154, 156) gekoppelt, räumlich dicht an dieser angeordnet und im Bereich deren höchster Kraftflußliniendichte gelegen ist und daß zwischen Wicklungen und Kern (102, 106) ein ausreichender Abstand eingehalten ist, so daß ein Teil der Energieübertragung über die Wicklungen erfolgt, und daß die dem Mittelsteg (106) und dem Außensteg des Kerns (102) nächstgelegene Wicklung jeweils eine Sekundärwicklung bzw. Sekundärteilwicklung (126, 128; 126, 140; 148, 150; 158, 160) ist.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator eine Primär- und eine Sekundärwicklung (124, 126, 128) aufweist, und daß die Sekundärwicklung in zwei Teilwicklungen (126, 128) aufgeteilt ist, zwischen denen die Primärwicklung (124) gewickelt ist.

3. Transformator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator eine Primär- und eine Sekundärwicklung (124, 126) aufweist, und daß die Primärwicklung (124) auf die Sekundärwicklung (126) gewickelt ist.

4. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen Primär- und Sekundärwicklung eine beidseitig isolierte einlagige Metallfolie mit herausgeführten und mit einem Schutzleiter verbundenen Anschluß vorgesehen ist.

5. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine einlagige extern kurzschließbare Wicklung (162, 164) zwischen benachbarten stromführenden Teilwicklungen der Primär- und Sekundärwicklung angeordnet ist.

6. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsabstand vom Mittelsteg (106) des Kernes (102) etwa gleich dem Wicklungsabstand vom Außensteg (104, 104′) des Kernes ist.

7. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Mittelsteg (106) und der Wicklung ein Wickelkörper (122) aus Isoliermaterial und zwischen der Wicklung und dem Außensteg ein Isolierkörper (134, 146) angeordnet ist.

8. Transformator nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wickelkörper (122) und dem Mittelsteg (106) sowie zwischen dem Isolierkörper (134, 146) und dem Außensteg ein geringer Luftspalt vorgesehen ist.

9. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen Wickelkörper (122) eine erste Sekundärteilwicklung (126) und auf diese eine erste Isolierung (130) aufgebracht ist, daß auf diese Anordnung die Primärwicklung (124) aufgewickelt und mit einer äußeren zweiten Isolierung (132) versehen ist, und daß eine zweite Sekundärteilwicklung (128) und eine dritte Isolierung (134) auf diese Anordnung aufgebracht ist.

10. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er zumindest zwei übereinander liegende Wicklungsanordnungen aus jeweils zwei Sekundärteilwicklungen (126, 128; 136, 140) und einer dazwischen liegenden Primärwicklung (124, 138) aufweist.

11. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er zumindest zwei zwischen der inneren und äußeren Sekundärteilwicklung (148, 150, 158, 160) liegende Primärteilwicklungen (124, 138; 154, 156) aufweist.

12. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wicklungsmaterial Kupfer ist.

13. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernmaterial Ferrit ist.

14. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (102) vom Wickelbandkern-Typ ist.

15. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (102) in E-E-Bauform ausgebildet ist.

16. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die E-Form des Kerns (102) jeweils durch zwei U-Teile gebildet ist.

17. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der folienförmigen Isolierung (130, 132, 134; 130, 132, 134, 142, 144; 130, 152, 144) Kunststoff ist.

18. Transformator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff "Hostaphan" (PETP) ist.

19. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (230) in einer Treiberschaltung (202, 206, 212, 216, 218, 230) für einen Leistungsschalttransistor (210) zur Lieferung des Schaltsignals und des positiven Basisstromes des Leistungsschalttransistors (210) eingesetzt ist.

20. Transistor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,, daß die Sekundärseite des Transformators (230) über ein Einschaltübersteuerungsglied (206) und einen nachgeschalteten Stromregler (212) mit der Basis des Leistungsschalttransistors (210) verbunden ist.

21. Transformator nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschaltübersteuerungsglied (206) eine Parallelschaltung aus einem Widerstand (207) und einem Kondensator (208) ist.

22, Transformator nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler (212) einen zweistufigen Schaltverstärker (336, 338) und ein Leistungsstellglied aus einem Transistor (340) und einem als Diode ausgebildeten Antisättigungsglied (342) umfaßt, die so geschaltet sind, daß der Spannungsabfall der Basis-Emitter-Strecke des Transistors (340) und der Basis-Emitter-Strecke des Leistungsschalttransistors (210) gleich dem Spannungsabfall des Antisättigungsgliedes (342) und der Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungsschalttransistors (210) ist.

23. Transformator nach Anspruch 20 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler (212) abschaltbar ist.

24. Transformator nach einem der Ansprüche 20 und 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler (212) für die Steuerung des positiven Basisstromes des Leistungsschalttransistors (210) einen Pegelsensor (284 bis 294), eine selbsthaltende Speicherstufe (274, 298 bis 318) und eine Abschaltverzögerung (320 bis 324) mit einem RC-Glied umfaßt.

25. Transformator nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß für die Treiberschaltung ein Logikprozessor (218) vorgesehen ist, der einen Pegelsensor (236 bis 250) sowie eine Flipflop-Schaltung (252 bis 270) aufweist und in dem der Schaltbefehl für den Transformator beim Überschreiten eines vorgegebenen Pegels des Basisstromes des Leistungsschalttransistors (210) gespeichert ist.

Claims

1. A transformer, in particular a shell-type output transformer, having a core (102) made of ferromagnetic material and at least one primary winding and one secondary winding (124; 138; 154. 156 and 126, 128; 136, 140; 148, 150, 158), at least one of which is a foil winding and which are provided as cylindrical windings with insulating layers (130, 132, 134, 142, 144, 146, 152, 168, 178) located therebetween on a winding body (122) placed on the middle ridge (106) of the core (102), characterized in that the secondary winding (126, 128; 136, 140; 148, 150, 158) of the transformer adapted to be operated in particular for frequencies between 20 kHz and 100 kHz is closely coupled with the primary winding (124; 138; 154, 156), is disposed close thereto spatially and is situated in the area of its highest magnetic flux density, and that there is a sufficient distance between the windings and the core (102, 106) so that part of the energy transmission takes place via the windings, and that the windings closest the middle ridge (106) and the outside ridge of the core (102) are secondary windings or partial secondary windings (126, 128; 126, 140; 148, 150; 158, 160).

2. The transformer of claim 1, characterized in that the transformer has a primary winding and a secondary winding (124, 126, 128), and that the secondary winding is divided into two partial windings (126, 128) between which the primary winding (124) is wound.

3. The transformer of claim 1, characterized in that the transformer has a primary winding and a secondary winding (124, 126), and that the primary winding (124) is wound onto the secondary winding (126).

4. The transformer of any of the preceding claims, characterized in that a single-layer metal foil insulated on both sides and having a free connection connected with a protective conductor is provided between each primary winding and secondary winding.

5. The transformer of any of the preceding claims, characterized in that a single-layer winding (162, 164) adapted to be short-circuited externally is disposed between adjacent current-carrying partial windings of the primary winding and secondary winding.

6. The transformer of any of the preceding claims, characterized in that the distance between the winding and the middle ridge (106) of the core (102) is approximately equal to the distance between the winding and the outside ridge (104, 104′) of the core.

7. The transformer of any of the preceding claims, characterized in that a winding body (106) made of insulating material is disposed between the middle ridge (106) and the winding, and an insulating body (134, 146) between the winding and the outside ridge.

8. The transformer of claim 7, chararterized in that a small air gap is provided between the winding body (122) and the middle ridge (106) and between the insulating body (134, 146) and the outside ridge.

9. The transformer of any of the preceding claims, characterized in that a first partial serondary winding (126) is provided on a winding body (122), and a first insulation (130) is provided on said winding, that the primary winding (124) is wound onto this assembly and provided with an external second insulation (132), and that a second partial secondary winding (128) and a third insulation (134) are provided on this assembly.

10. The transformer of any of claims 1 to 8, characterized in that it has at least two superjacent winding assemblies each consisting of two partial secondary windings (126, 128; 136, 140) and a primary winding (124, 138) located therebetween.

11. The transformer of any of claims 1 to 8, characterized in that it has at least two partial primary windings (124, 138; 154, 156) located between the internal and external partial secondary windings (148, 150, 158, 160).

12. The transformer of any of the preceding claims, characterized in that the material of the windings is copper.

13. The transformer of any of the preceding claims, characterized in that the material of the core is ferrite.

14. The transformer of any of the preceding claims, characterized in that the core (102) is of the tape-wound type.

15. The transformer of any of the preceding claims, characterized in that the core (102) has an E-E shape.

16. The transformer of any of the preceding claims, characterized in that the E shape of the core (102) is formed by two U-shaped parts.

17. The transformer of any of the preceding claims, characterized in that the material of the sheetlike insulation (130, 132, 134; 130, 132, 134, 142, 144; 130, 152, 144) is plastics.

18. The transformer of claim 17, characterized in that the plastics is "Hostaphan" (PETP).

19. The transformer of any of the preceding claims, characterized in that the transformer (230) is used in a driver circuit (202, 206, 212, 216, 218, 230) for a power switching transistor (210) to provide the switch signal and the positive base current of the power switching transistor (210).

20. The transistor of claim 19, characterized in that the secondary side of the transformer (230) is connected with the base of the power switching transistor (210) via a turn-on saturation stage (206) and a subsequent current regulator (212).

21. The transformer of claim 20, characterized in that the turn-on saturation stage (206) is a parallel circuit consisting of a resistor (207) and a capacitor (208).

22. The transformer of claim 20, characterized in that the current regulator (212) includes a two-stage switching amplifier (336, 338) and a power output stage consisting of a transistor (340) and an antisaturation stage (342) designed as a diode which are switched in such a way that the voltage drop of the base-to-emitter junction of the transistor (340) and the base-to-emitter junction of the power switching transistor (210) is equal to the voltage drop of the antisaturation stage (342) and the collector-to-emitter junction of the power switching transistor (210).

23. The transformer of claims 20 and 22, characterized in that the current regulator (212) is adapted to be switched off.

24. The transformer of any of claims 20 and 22 to 24, characterized in that the current regulator (212), for controlling the positive base current of the power switching transistor (210), includes a level sensor (284 to 294), a locking storage stage (274, 298 to 318) and a turn-off delay (320 to 324) with an RC module.

25. The transformer of any of claims 19 to 24, characterized in that a logic processor (218) is provided for the driver circuit, said processor having a level sensor (236 to 250) and a flipflop circuit (252 to 270) and having stored therein the switch command for the transformer when a predetermined level of base current of the power switching transistor (210) is exceeded.

Revendications

1. Transformateur, en particulier transformateur de puissance à enveloppe avec un noyau en matériau ferromagnétique et au moins un enroulement primaire et un enroulement secondaire (124; 138; 154, 156 et 126, 128; 136, 140; 148, 150, 158), dont au moins l'un d'entre eux est un enroulement en feuille et qui, en qualité d'enroulements à bobines concentriques avec couches isolantes intermédiaires (130, 132, 134, 142, 144, 146, 152, 168, 178), sont agencés sur une bobine posée sur la barrette centrale (106) du noyau (102), caractérisé en ce que dans le transformateur utilisable en particulier pour les fréquences entre 20 kHz et 100 kHz, l'enroulement secondaire (126, 128, 136, 140; 148, 150, 152) est étroitement couplé à l'enroulement primaire (124; 138; 154, 156), disposé tout près de celui-ci et situé dans la zone de leur densité magnétique maximale et en ce qu'entre les enroulements et le noyau (102, 196) est maintenu un écartement suffisant, de sorte qu'une partie de la transmission de l'énergie a lieu par les enroulements, et en ce que l'enroulement le plus proche de la barrette centrale (106) et de la barrette extérieure du noyau (102) est respectivement un enroulement secondaire ou une fraction d'enroulement secondaire (126, 128; 126, 140; 148, 150; 158, 160).

2. Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transformateur présente un enroulement primaire et un enroulement secondaire (124, 126, 128) et en ce que l'enroulement secondaire est divisé en deux enroulements partiels (126, 128) entre lesquels est enroulé l'enroulement primaire.

3. Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transformateur présente un enroulement primaire et un enroulement secondaire (124, 126) et en ce que l'enroulement primaire (124) est enroulé sur l'enroulement secondaire.

4. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'entre chaque enroulement primaire et secondaire est prévue une feuille de métal faite d'une couche isolée des deux côtés avec connection sortie et reliée par fil de protection.

5. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un enroulement à une couche court-circuitable extérieurement (162, 164) est disposé entre les enroulements partiels conducteurs voisins des enroulements primaire et secondaire.

6. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écartement entre l'enroulement et la barrette centrale (106) du noyau est à peu près le même que l'écartement entre l'enroulement et la barrette exterieure (104, 104′) du noyau.

7. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une bobine est disposée entre la barrette centrale (106) et l'enroulement (122) en matériau isolant et en ce qu'un corps isolant (134, 146) est disposé entre l'enroulement et la barrette extérieure.

8. Transformateur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'un faible entrefer est prévu entre la bobine (122) et la barrette centrale (106) ainsi qu'entre le corps isolant (134, 146) et la barrette extérieure.

9. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sur la bobine (122) est apposé un premier enroulement secondaire (126) et sur celui-ci une première isolation (130), en ce que l'enroulement primaire est enroulé sur cet agencement et muni d'une seconde isolation exterieure (132) et en ce qu'un second enroulement secondaire (128) et une troisième isolation (134) sont apposés sur cet agencement.

10. Transformateur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il présente au moins deux groupes d'enroulements disposés l'un sur l'autre, chacun consitant en deux enroulements secondaires (126, 128; 136, 138) et d'un enroulement primaire disposé entre ceux-ci.

11. Transformateur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il présente au moins deux enroulements primaires (124, 138; 154, 156) situés entre les enroulements secondaires intérieur et extérieur (148, 150, 158, 160).

12. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau des enroulements est du cuivre.

13. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau du noyau est du ferrite.

14. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le noyau (102) est du type tore enroulé.

15. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le noyau (102) est construit dans la forme E-E.

16. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la forme E du noyau (102) est formée respectivement par deux éléments en U.

17. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'isolation en forme de feuille (130, 132, 134; 130, 132, 134, 142, 144; 130, 152, 144 est en matière plastique.

18. Transformateur selon la revendication 17, caractérisé en ce que la matière plastique est du "Hostaphan" (PETP).

19. Transformateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transformateur (230) est utilisé dans un étage excitateur (202, 206, 212, 216, 218, 230) pour un transistor de commutation de puissance (210) pour fournir le signal de commutation et le courant de base positif du transistor de commutation de puissance (210).

20. Transistor selon la revendication 19, caractérisé en ce que le secondaire du transformateur (230) est relié à la base du transistor de commutation de puissance (210) par un organe de saturation de mise en circuit (206) et un rhéostat régulateur d'intensité de courant (212) intercalé.

21. Transformateur selon la revendication 20, caractérisé en ce que l'organe de saturation de mise en circuit (206) est un montage en parallèle d'une résistance (207) et d'un condensateur (208).

22. Transformateur selon la revendication 20, caractérisé en ce que le rhéostat régulateur d'intensité (212) comprend un amplificateur de commutation à deux étages (336, 338) et un vérin consistant en un transistor (340) et un organe d'antisaturation (342) en forme de diode, qui sont montés de telle sorte que la chute de tension de la jonction base-émetteur du transistor de commutation de puissance (210) est la même que la chute de tension de l'organe d'antisaturation (342) et de la jonction collecteur-émetteur du transistor de commutation de puissance (210).

23. Transformateur selon les revendications 20 et 22, caractérisé en ce que le rhéostat régulateur d'intensité de courant (212) est déconnectable.

24. Transformateur selon l'une des revendications 20 et 22 à 24, caractérisé en ce que le rhéostat régulateur d'intensité de courant (212) pour le réglage du courant de base positif du transistor de commutation de puissance (219) comprend un palpeur de niveau (284 à 294), un étage de mémorisation à auto-entretien (274, 298 à 318) et un retardateur d'interruption (320 à 324) avec un circuit RC.

25. Transformateur selon l'une des revendications 19 à 24, caractérisé en ce qu'il est prévu pour l'étage excitateur un processeur logique (218) qui présente un palpeur de niveau (236 à 250) ainsi qu'un montage en bascule (252 à 270) et dans lequel l'instruction de commutation pour le transformateur est mémorisée en cas de dépassement d'un niveau prédéterminé du courant de base du transistor de commutation de puissance (210).

Zeichnung