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Die Erfindung betrifft einen Generator zum Erzeugen einer elektrischen
Spannung, mit einem Transformator mit einem Kern aus Ferromagnetmaterial, einer
Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung eine in Form
eines Solenoids gewickelte erste Primärspule enthält und mit einer Primärschaltung
verbunden ist, die eine Quelle zeitabhängiger Spannungen enthält, während die
Sekundärwicklung eine in Form eines Solenoids gewickelte erste Sekundärspule enthält und
mit einer Sekundärschaltung verbunden ist, wobei die ersten Primär- und
Sekundärspulen auf dem Kern unter Zwischenlage elektrischer Isoliermittel konzentrisch
angebracht sind.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf einen Transformator, der sich für
einen derartigen Generator eignet.
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Ein Generator dieser Art ist aus DE-B 2 626 285 bekannt. Aus diesem
Dokument ist weiter bekannt, daß Störungen aus der Sekundärschaltung über die
zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen bestehende Kapazität die
Eingangsklemmen der Primärschaltung erreichen können. Derartige Störungen können andere
Schaltungen nachteilig beeinflussen. Umgekehrt können Störungen aus der
Primärschaltung auch die Sekundärschaltung und eine damit verbundene Belastung erreichen.
Beim bekannten Generator wird die Übertragung dieser Störungen durch Anbringen
elektrostatischer Abschirmungen zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen
gegengewirkt. Dieses Verfahren führt zwar zum gewünschten Ergebnis, aber hat auch
einige Nachteile. Durch das Anbringen der Abschirmungen steigen die Kosten des
Transformators und werden seine Abmessungen und sein Gewicht größer. Der
Koppelfaktor zwischen den Wicklungen wird kleiner und die Streuungsselbstinduktivität steigt
daher an. Ein Teil der Energie wird dadurch nicht von der primären nach der
sekundären Seite des Transformators transformiert. Diese Energie muß zum Schutz der
Primärschaltung beispielsweise in Widerstandsnetzwerke hineindissipiert werden.
Hierdurch können einige Prozent der zu übertragenden Leistung verloren gehen.
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In NL-A-87 02 133 (EP-A-0 307 036) wird ein Generator nach der
Beschreibung im Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einem Transformator beschrieben, in
dem ohne elektrostatische Abschirmungen ein Austasten einer Störspannung zwischen
einem Primär- und einem Sekundärbezugspunkt verwirklicht wird. Dazu enthält die
Primärwicklung eine erste und eine zweite Primärspule, über die der Spannungsabfall
im Betriebszustand U1p bzw. U2p beträgt und mit einer ersten bzw. einer zweiten
Sekundärspule kapazitiv gekoppelt sind, über die der Spannungsabfall im
Betriebszustand U1s bzw. U2s beträgt. Die Koppelkapazitäten betragen C1p bzw. C2p. Diese
Aufgabe wird dadurch erfüllt, daß folgender Bedingung entsprochen wird:
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C&sub1;(U1s-U1p) = C2(U2p-U2s)
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Um diese Bedingung zu erfüllen, müssen die Eigenschaften der Isoliermittel und die
Windungsanzahlen der Primär- und Sekundärspulen sorgfältig gewählt werden.
Infolgedessen ist der Aufbau des Transformators ziemlich kompliziert und teuer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Generator eingangs
erwähnter Art zu schaffen, in dem die Übertragung von Störspannungen von der
Sekundär- nach der Primärschaltung und umgekehrt auf einfache und preisgünstige
Weise gegengewirkt wird.
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Der erfindungsgemaße Generator ist dazu dadurch gekennzeichnet, daß die
erste Primärspule und die erste Sekundärspule gleiche Länge haben, mit gleichen
Windungsanzahlen aus Draht mit gleichem Durchmesser gewickelt sind und die gleiche
Axialstellung auf dem Kern einnehmen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die einander
gegenüberliegenden Windungen der auf diese Weise aufgebauten ersten Primär- und
Sekundärspulen die gleiche Wechselspannung führen. Hierdurch erfolgt keine Übertragung von
Störungsenergie über die zwischen diesen Windungen vorhandene Streukapazität.
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Wenn der Transformator ein Transformationsverhältnis von 1 : 1
aufweist, können die erste Primärspule die ganze Primärwicklung und die erste
Sekundärspule die ganze Sekundärwicklung bilden. Ist das Transformationsverhältnis
anders oder wird die Primärwicklung oder die Sekundärwicklung mit Hilfswicklungen
erweitert, beispielsweise zum Erzeugen von Hilfsspannungen, sind außer den mit
gleichen Windungsanzahlen gewickelten ersten Primär- und Sekundärspulen weitere
Primär- und/oder Sekundärspulen erforderlich. Ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Generators mit derartigen weiteren Spulen ist dadurch gekennzeichnet, daß
weitere zur Primärwicklung bzw. zur Sekundärwicklung gehörenden Spulen eine Länge
haben, die höchstens gleich der Länge der ersten Primär- und Sekundärspulen ist und
derart auf dem Kern angeordnet sind, daß eine gerade Linie zwischen einem Punkt einer
weiteren Primär- bzw. Sekundärspule und einem Punkt der ersten Sekundär- bzw.
Primärspule immer die erste Primär- bzw. Sekundärspule schneidet. Bei einem auf diese
Weise aufgebauten Transformator dienen die ersten Primar- und Sekundärspulen
gleichfalls als Abschirmung, so daß zwischen den weiteren Primär- bzw.
Sekundärspulen einerseits und der Sekundär- bzw. Primärwicklung andererseits keine kapazitive
Kopplung besteht. Diese und weitere Merkmale der Erfindung werden nachstehend
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Generators,
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Fig. 2 schematisch einen Teil eines im Generator nach Fig. 1
angewandten Transformators, und
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Fig. 3a und 3b schematisch den Aufbau geeigneter Transformatoren für
weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Generators.
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Das in Fig. 1 dargestellte Schaltbild zeigt u.a. die für ein gutes
Verständnis der Erfindung wichtigen Teile eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Generators. Der Generator, der in diesem Ausführungsbeispiel zum Erzeugen
einer Gleichspannung ausgelegt ist, enthält einen Transformator 1 mit einem Kern 3 aus
ferromagnetischem Material (beispielsweise Ferrit), eine Primärwicklung 5 und eine
Sekundärwicklung 7. Die Primärwicklung 5 ist mit einer Primärschaltung 9 verbunden,
die eine mit dem Netz 11 verbundene Gleichrichterschaltung 13 und einen
Glättungskondensator 15 enthält. Am Kondensator 15 entsteht eine geglättete Gleichspannung
beispielsweise von 300 V. Weiter enthält die Primärschaltung 9 einen Schalttransistor
17, der die Gleichspannung periodisch unterbricht, so daß sie in Form von
Spannungsimpulsen 18 der Primärwicklung 5 zugeführt wird. Derartige Schaltungen sind an sich
bekannt (siehe beispielsweise die bereits erwähnte DE-B-2 626 285) und eine weitere
Erläuterung erübrigt sich daher.
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Die Sekundärwicklung 7 ist mit einer Sekundärschaltung 19 verbunden,
die einen Gleichrichter 21 und einen Glättungskondensator 23 enthält. Der Ausgang der
Sekundärschaltung 19 ist mit einer Belastung 25 verbunden, beispielsweise mit einem
gleichspannungsgespeisten Gerät. Die Sekundärschaltung 19 ist mit einem sekundären
Bezugspunkt 27 verbunden.
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Der Aufbau des Transformators 1 ist in Fig. 2 schematisch dargestellt.
Um den (nur teilweise dargestellten) Ferromagnetkern 3 ist ein aus elektrisch
isolierendem Material (beispielsweise einem geeigneten Kunststoff) hergestellter Spulenkörper 29
angeordnet, auf dem die Primär- und Sekundärwicklungen 5 und 7 angebracht sind. In
diesem Ausführungsbeispiel besteht die Primärwicklung ausschließlich aus einer
einzigen in Form eines Solenoids gewickelten ersten Primärspule 31. Die
Sekundärwicklung besteht ausschließlich aus einer einzigen in Form eines Solenoids gewickelten
ersten Sekundärspule 33. Die Spulen 31 und 33 sind unter Zwischenlage elektrischer
Isoliermittel in Form einer elektrisch isolierenden Folie 35 konzentrisch auf dem Kern
angeordnet. Die Länge x der ersten Primärspule 31 ist gleich der der ersten
Sekundärspule 33 und diese beiden Spulen haben gleiche Windungsanzahlen aus Wickeldraht mit
gleichem Durchmesser. Außerdem nehmen sie dieselben Axialstellungen auf dem Kern
3 ein. Wie in Fig. 1 auf übliche Weise mit einem Punkt bei den Primär- und
Sekundärwicklungen 5 und 7 angegeben ist, ist der Wickelsinn der Spulen 31 und 33 derart
gewählt und sind sie derart mit der Primärschaltung 9 bzw. der Sekundärschaltung 19
verbunden, daß die entsprechend angeordneten Enden der beiden Spulen
Wechselspannungen gleicher Polarität führen. An der Sekundärwicklung 7 entsteht daher ein
Spannungsimpuls 36, der nahezu gleich dem Primärspannungsimpuls 18 ist. Durch diese
Maßnahmen führen entsprechend angeordnete Windungen der beiden Spulen immer die
gleiche Wechselspannung, so daß über die zwischen diesen Windungen bestehenden
Kapazitäten kein Strom fließt. Die Kapazität zwischen derartigen entsprechenden
Windungen der Spulen ist in Fig. 1 mit den Kondensatoren 37 symbolisch angegeben.
Sie entsteht dadurch, daß die entsprechenden Windungen über das mit der isolierenden
Folie 35 gebildeten Dielektrikum miteinander kapazitiv gekoppelt sind.
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Es können daher keine Hochfrequenzströme über die Kapazitäten 37 der
ersten Sekundärspule 33 nach der ersten Primärspule 31 fließen. Hierdurch können
Störsignale, die in der Sekundärschaltung 19 entstehen, die Primärschaltung 9 nicht
erreichen. Sie können also auch nicht in das Netz 11 geraten oder über die als Antennen
arbeitenden Verbindungsleitungen 39 zwischen der Primärschaltung 9 und dem Netz 11
ausgestrahlt werden. Umgekehrt können Störsignale aus der Primärschaltung 9 nicht
über die Streukapazitäten 37 und die Sekundärschaltung 19 in die Belastung 25 geraten.
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In dem anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel
bestehen die Primär- und Sekundärwicklungen aus je einer einzigen Solenoidspule.
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Diese Spulen haben gleich Windungsanzahlen, so daß der Transformator 1 ein
Transformationsverhältnis 1 : 1 aufweist. Die Aufgabe dieses Transformators ist, die
Sekundärschaltung 19 vom Netz 11 galvanisch zu trennen. Eine derartige galvanische
Trennung ist in vielen Fällen aus Sicherheitsgründen erwünscht. Es kann jedoch auch
eintreten, daß der Transformator 1 ein anderes Transformationsverhältnis haben soll. In
diesem Fall enthält die Primärwicklung 5 eine größere oder kleinere Windungsanzahl als
die Sekundärwicklung 7. Bei den bekannten Transformatoren ist es in derartigen Fällen
üblich, die Wicklung mit der größten Windungsanzahl üblicherweise aus einem
dünneren Draht als die Wicklung mit der kleinsten Windungsanzahl zu wickeln.
Hierdurch ware es nicht mehr möglich, alle entsprechend angeordneten Primär- und
Sekundärwindungen die gleiche Wechselspannung führen zu lassen.
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In Fig. 3A und 3B sind zwei weitere Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Transformatoren dargestellt, bei denen dieses Problem gelöst ist. Bei diesen
Transformatoren enthält die Sekundärwicklung 7 mehr Windungen als die
Primärwicklung 5, so daß der sekundäre Spannungsimpuls 36' größer ist als der primäre
Spannungsimpuls 18. Die Sekundärwicklung 7 ist jetzt in eine Sekundärspule 33 und in eine
zweite Sekundärspule 41 aufgeteilt. Die Primärwicklung 5 besteht wie im ersten
Ausführungsbeispiel aus einer einzigen ersten Primärspule 31. Die zweite Sekundärspule
41 ist über eine Verbindungsleitung 43 mit der ersten Sekundärspule 33 in Reihe
geschaltet. Vorzugsweise sind die Verbindungsleitung 43 und die zweite Sekundarspule
41 aus demselben Draht wie die erste Sekundärspule 33 hergestellt. Die ganze
Sekundärwicklung 7 kann dabei auf einer geeigneten Wickelmaschine ohne Unterbrechungen
gewickelt werden. Der Wickelsinn der zweiten Sekundärspule 41 kann die selbe sein
wie der der ersten Sekundärspule 33, wie in Fig. 3A dargestellt. Der Wickelsinn in der
zweiten Sekundärspule 41 kann jedoch auch dem der ersten Sekundärspule 33
entgegengesetzt sein, wie in Fig. 3B dargestellt. Der Wickelsinn der ersten Primär- und
Sekundärspulen 31 und 33 und die Art, auf die sie mit der Primär- bzw. der
Sekundärschaltung 9 bzw. 19 verbunden sind, ist wie im ersten Ausführungsbeispiel derart
gewählt, daß entsprechend angeordnete Enden dieser beiden Spulen im Betriebszustand
Wechselspannungen gleicher Polarität führen, wie mit einem Punkt in Fig. 3A und 3B
angegeben. An der ersten Sekundärspule 33 entsteht also wiederum ein
Spannungsimpuls 36", der nahezu gleich dem Primärspannungsimpuls 18 ist. Auch in diesen
Ausführungsbeispielen fließen somit keine Hochfrequenzströme von der ersten
Sekundärspule
33 nach der ersten Primärspule 31. Da die erste Sekundärspule 33 auf die oben
beschriebene Weise als elektrostatische Abschirmung zwischen der zweiten
Sekundärspule 41 und der ersten Primärspule 31 arbeitet, fließen auch keine Hochfrequenzströme
zwischen den zwei letztgenannten Spulen. Störsignale können also nicht von der
Sekundärschaltung 19 in die Primärschaltung 9 eindringen.
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Wenn der Transformator 1 mit weiteren Sekundärspulen versehen ist,
werden sie auf gleiche Weise durch die erste Sekundärspule 33 von der ersten
Primärspule 31 abgeschirmt. Derartige weitere Sekundärspulen können wie die zweite
Sekundärspule 41 mit der ersten Sekundärspule 33 in Reihe geschaltet sein. Sie können
jedoch auch von der ersten Sekundärspule galvanisch getrennt sein. Außerdem kann die
Primärwicklung 5 zusätzlich zur ersten Primärspule 31 andere Spulen enthalten. Sie
sollen dabei auf entsprechende Weise höchstens genauso lang sein wie die erste
Primärspule 31 und derart angeordnet, daß eine gerade Linie zwischen einem Punkt
einer derartigen Spule und einem Punkt der ersten Sekundärspule 33 immer die erste
Primärspule 31 schneidet. Ein Transformator, der diese Bedingungen erfüllt, eignet sich
zum Anwenden in einer Schaltung nach Fig. 1 oder in einem anderen Generator zum
Erzeugen elektrischer Spannungen, beispielsweise einem Wechselspannungsgenerator,
bei dem der Gleichrichter 21 und der Glättungskondensator 23 nicht vorhanden sind.