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Vollweggleichrichterschaltung mit Siebkondensator
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Gleichrichtereinrichtungenführten vorteilhaften Ausführungsbeispielen keineswegs der Fall.
Erfindungsgemäss wird nämlich in-einem Fall die am Vorwiderstand auftretende Spannung der Primär- wicklung eines Transformators zugeführt, dessen Sekundärwicklung in Serienschaltung mit der Ausgangs- last parallel zum Siebkondensator liegt, wobei das Übersetzungsverhältnis von Primärwindungszahl zu Se- i kundärw indungszahl mindestens nahezu gleich ist dem Verhältnis des Wertes des Vorwiderstandes zu dem des äquivalenten Reihenwirkwiderstandes.
Wegen der bei denWelligkeitsspannungen auftretenden relativ hohen Frequenzen sind auf dem Trans- formatorkern sehr wenige Windungen nötig, so dass der Magnetkreis nur einen relativ kleinen Luftspalt aufzuweisen braucht. Ausserdem kann die Eingangsimpedanz der Primärwicklung gegenüber dem Wert des
Vorwiderstandes gross gehalten werden. Die Welligkeitsspannung, die dadurch entsteht, dass ein Wellig- keitsstrom durch den Vorwiderstand und den damit in Reihe liegenden Elektrolytkondensator fliesst, er- scheint an der Primärwicklung des Transformators, unddurch Transformation erscheint an der Sekundär- wicklung des Transformators eine Spannung, die nahezu gleich der Spannung ist, die am äquivalenten
Wirkwiderstand des Elektrolytkondensators infolge desselben Welligkeitsstromes auftritt.
Die Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators wird der Lastschaltung gegensinnig zur Welligkeitsspannung am äquivalenten Wirkwiderstand des Elektrolytkondensators aufgeprägt, so dass die Welligkeitskomponente an der Last stark reduziert oder nahezu beseitigt wird.
Zusätzlich zu seinem Reihenwirkwiderstand hat der Elektrolytkondensator eine gewisse Äquivalent- reiheninduktivität, und dies kann sich deutlich auf dieWelligkeitsspannung bei relativ hohen Welligkeit- frequenzen auswirken, z. B. bei Welligkeitsfrequenzen in der Grössenordnung von 10000 Hz.
Ausserdem besitzt auch derVorwiderstand eineStreuinduktivität. Durch an sich bekannte Massnahmen kann leicht die äquivalente Reiheninduktivität des Vorwiderstandes so gestaltet werden, dass das Windungsverhältnis der Sekundär-zur Primärwicklung des Transformators nahezu dem Verhältnis der äquivalenten Reiheninduk- tanz des Elektrolytkondensators zur äquivalenten Reihe'ninduktivität des Vorwiderstandes ist, so dass. sich eine weitere vorteilhafte Wirkung zur Kompensation der Welligkeitsspannung ergibt.
Der Transformator soll eine möglichst kleine Verlustreaktanz haben, und der Vorwiderstand soll so bemessen sein, dass die Wirkung des äquivalentenReihenwirkwiderstandes des Elektrolytkondensators kom- pensiert wird. Bei Welligkeitsfrequenzen, die über der Frequenz liegen, bei der die Äquivalentreihenka- pazität und die Äquivalentreiheninduktivität des Elektrolytkondensators in Reihenresonanz sind, ist es ganz besonders vorteilhaft, dass auch die äquivalente Reiheninduktivität des Vorwiderstandes so bemessen ist, dass die oben beschriebene Kompensationswirkung zustande kommt.
In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zur Kompensation der Welligkeits- spannung eine Brückenschaltung vorgesehen, deren eine Diagonale erfindungsgemäss an den Gleichrichter- ausgang und deren andere Diagonale an die Last angeschlossen sind. Nahezu identisch gleiche Elektrolytkondensatoren sind in gegenüberliegende Brückenzweige, und nahezu identisch gleiche Vorwiderstän- de sind in die andern gegenüberliegenden Brückenzweige geschaltet, so dass sich eineWechselstrombrücke ergibt. Der Widerstandswert jedes der Vorwiderstände entspricht etwa dem des äquivalenten Reihenwirkwiderstandes jedes der Elektrolytkondensatoren.
Ausserdem ist auch die äquivalente Reiheninduktivität je- des der Vorwiderstände so ausgebildet, dass sie etwa gleich der äquivalenten Reiheninduktivität jedes der Elektrolytkondensatoren ist, so dass sich eine fast vollständige Kompensation an der Last ergibt.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemässen Schaltung, Fig. 2 das Diagramm
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In Fig. l wird ein Vollweggleichrichter mit nachgeschaltetem Kondensatorfilter gezeigt, um den aus derWechselstromquelle 10 stammendenundanschliessendgleichgerichteten und gefilterten Strom einer Last 11 zuzuführen. Nach Belieben könnten auch andere Arten von allgemein üblichen Gleichrichtern und Filtern benutzt werden. Die Wechselstromquelle 10 ist in an sich bekannter Weise an die Primärwicklung 12 eines Transformators 13 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung 14 zwei Endklemmen 15 und 16 und eine Mittelklemme 17 hat.
Die Endklemmen 15 und 16 sind über Gleichrich- ter 18 und 19 mit der positiven Gleichrichterausgangsklemme 20 verbunden, und die Mittelklemme 17 ist an die negative Gleichrichterausgangsklemme 21 angeschlossen.
An die Gleichrichterausgangsklemmen 20 und 21 ist ein Strompfad angeschlossen, in dem ein V or- widerstand 22 und ein Elektrolytkondensator 23 inReihe liegen. DerElektrolytkondensator 23 besitzt eine Kapazität C, eine äquivalente Reiheninduktivität LC und einen äquivalenten Reihenwirkwiderstand RC, die alle als in Reihe liegend gedacht sind. Der Vorwiderstand 22 und seine Verbin-
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dungsleitungen weisen eine in Reihe liegende Streuinduktivität 24 auf. Die Gleichrichterausgangs- klemme ist mit einem Ende der Wicklung 25 eines Transformators verbunden, welche einen lamel- liertenKern 26 aus magnetisierbarem Material mit einem Luftspalt 27 umgibt.
Das andere Ende der
Wicklung 25 ist mit der Last 11 verbunden, die anderseits an die Gleichrichterausgangsklemme 21 i angeschlossen ist. Die als Primärwicklung 28 wirkende Teilwicklung der Wicklung 25 liegt parallel zum Widerstand 22. Die als Sekundärwicklung 29 wirkende Teilwicklung der Wicklung 25 und die damit in Reihe liegende Last 11 sind parallel zum Elektrolytkondensator 23 geschaltet.
Das Ver- hältnis der Windungszahl der Sekundärwicklung 29 zur Windungszahl der Primärwicklung 28 wird nahezu gleich dem Verhältniswert des äquivalenten Reihenwirkwiderstandes RC des Elekrrolytkonden- sators 23 zum Wert des Vorwiderstandes 22 gewählt. Bei dieser Bemessung wird eine Welligkeits- spannung am Widerstand 22, die durch einen entsprechenden Strom in dem aus dem Widerstand 22 und dem Kondensator 23 gebildeten Pfad hervorgerufen wird, an die Primärwicklung 28 gelegt und auf die Sekundärwicklung 29 übertragen, welche nahezu gleich der Welligkeitsspannung am Innenw ider- stand RC des Kondensators 23 ist.
Da die so auf die Sekundärwicklung 29 übertragene Wellig- keitsspannung etwa entgegengesetzt gleich der am Widerstand RC entstehenden Welligkeitsspannung ist, der in der Reihenschaltung der Sekundärwicklung Last 11 und Kondensator 23 liegt, wird die der Last
11 zugeführte Welligkeitskomponente zumindest nahezu kompensiert.
Insbesondere bei Welligkeitsfrequenzen, die oberhalb der Resonanzfrequenz des aus der Kondensator- kapazität C und der Streuinduktivität LC des Elektrolytkondensators 23 gebildeten Reihenreso- nanzkreises liegen, müsste zur vollständigen Kompensation auch das Windungsverhältnis von Sekundär- wicklung 29 zur Primärwicklung 28 etwa gleich dem Verhältnis der Streuinduktivität LC zur
Streuinduktivität 24 des Vorwiderstandes 22 sein.
Um zu veranschaulichen, wie wirksam die Schaltung nach Fig. 1 die Welligkeitsspannungskomponente derlastspannung reduziert, sind. Versuchsergebnisse im Diagramm nach Fig. 2 dargestellt worden. Dort ist der reziprokewert der Frequenz in kHz des Eingangswechselstromes in Abhängigkeit von derWelligkeits- spannung an der Last aufgetragen. Kurve A beruht auf Messwerten, die mit Hilfe der Schaltung nach
Fig. 1 ermittelt worden sind, und Kurve B bezieht sich auf Messwerte einer normalen Schaltung, d. h. einer solchen, die sich ergibt, wenn in Fig. 1 der Widerstand 22 und der Transformator 25,26 weg- gelassen ist, wenn also eine direkte Verbindung der positiven Lastklemme und der positiven Klemme des
Kondensators 23 mit der positiven Gleichrichterausgangsklemme 20 besteht.
In der gemessenen Schaltung hatte der Elektrolytkondensator 23 mit einem Nominalwert von 15000uF bei 12 V Gleichspannung, eine gemessene Kapazität C von 24098J. F bei einer Frequenz von 60 Hz und einen äquivalenten Reihenwirkwiderstand RC von 0, 029 Ohm. Die Transformatorwick- lung 25 hatte insgesamt zehn Windungen, u. zw. hatten die Primärwicklung 28 und die Sekundär- wicklung 29 je fünf Windungen. Der Luftspalt 27 betrug etwa 0, 08 mm. Der Vorwiderstand 22 hatte einen Wert von 0, 01595 Ohm. Während der Versuche wurde der gleichgerichtete Spannungsmittel- wert an den Klemmen 15 und 16 der Transformatorwicklung 14 konstant auf 20, 0 V und der durch- schnittliche Laststrom konstant auf 9, 6 A gehalten.
Die Frequenz der Wechselstromquelle 10 wurde zwischen 400 und 2400 Hz variiert, und die Ablesungen wurden bei MO, 600,900, 1200, 1500, 1800,
2100 bzw. 2400 Hz vorgenommen.
Aus Fig. 2 ergibt sich, dass die Welligkeitsspannungskomponente an der Last beträchtlich höher ist, wenn der Elektrolytkondensator 23 allein als Filterelement verwendet wird (Kurve B), als wenn die in Fig. 1 gezeigteFilterschaltung benutzt wird (Kurve A). Bei einer Eingangsfrequenz von 2400 Hz ergibt sid. bei Verwendung derSchaltung nach der Erfindung gemäss Fig. 1 eine Reduktion derWelligkeitskomponente von etwa 0, 26 V auf etwa 0, 05 V. Dies bedeutet eine Reduktion um etwa 81%. Bei 400 Hz beträgt die
Reduktion etwa 221o.
Bei einer üblicherweise verwendeten Netzfrequenz von 50 Hz dürfte die prozentuale
Welligkeitsreduktion, die sich unter Verwendung des Vorwiderstandes 22, des Transformators 25,26 und des Elektrolytkondensators 23 gemäss Fig. l ergibt, gegenüber der alleinigen Benutzung des Elektro- lytkondensators 23 entsprechend geringer werden. Die Kurve A stellt eine nahezu gerade Linie dar, die bei Verlängerung gemäss dem gestrichelten Teil 30 durch den Ausgangspunkt des Koordinatensystems hindurchginge.
Das Ergebnis, das sich bei Verwendung eines idealen Kondensators einstellen würde, d. h. eineskondensators, der nur diekapazität C enthält und der an dieGleichrichterausgangsklemmen 20,
21 und an die Last 11 angeschlossen ist, ist eine durch den Ausgangspunkt der Koordinaten hindurch- gehende Gerade. Die enge Annäherung der durch die Messwerte bedingten Kurve A an das Ideal zeigt die Wirksamkeit der Kompensation des internen wirksamen Serienwiderstandes RC des Elektrolytkon- densators 23. welche durch die Verwendung des Widerstandes 22 und des Transformators 25,26
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in der Schaltung von Fig. 1 erreicht wird.
In der abgewandelten Schaltung nach Fig. 3 sind die Komponenten, die den in Fig. 1 verwendeten entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen worden. In Fig. 3 wird kein Transformator zur Kom- pensation benutzt. Statt dessen ist ein zweiter Nebenschluss-Strompfad zu den Gleichrichterausgangsklemmen 20,21 vorgesehen, welcher aus der Reihenschaltung eines zweiten Elektrolytkondensators
33 einem zweiten Vorwiderstand 32 besteht. Es wird so eine Brückenschaltung gebildet, bei der die
Kondensatoren 23 und 33 in einem Paar einander gegenüberliegender Brückenzweige und die Vorwider- stände 22 und 32 in dem andern Paar gegenüberliegender Brückenzweige geschaltet sind.
Eine Brücken- diagonale ist an dieGleichrichterausgangsklemmen 20 bzw. 21 angeschlossen und die andereDiagonale an die Lastklemmen.
Ausgehend von der positiven Lastklemme verläuft z. B. ein Stromkreis über die Last 11 zur nega- tiven Klemme, dann über den Elektrolytkondensator 33 und von dort aus über den Vorwiderstand 22
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gleich. In dem vorstehend genannten Stromkreis sind die veränderlichen Spannungen am Vorwiderstand 22 und am Wirkwiderstand RC entgegengesetzt gerichtet, wodurch die elligkeitsspannung im Lastkreis unterdrückt wird. Die an der Last erscheinende Spannung ist daher gleich der Spannung an der Kapazität Cl, desKondensators33.
Wenn die Vorwiderstände 22 und 32 je dieselbe äquivalente Rei- heninduktivität besitzen wie jeweils die äquivalente Reheninduktivität der Kondensatoren 33 und 32 ; dann können die an den äquivalenten Reiheninduktivitäten entstehenden veränderlichen Spannungen ebenfalls unterdrückt werden.
Der Gleichstrom, der von der positiven Gleichrichterausgangsklemn e über den Widerstand 22, die Last 11 und den Widerstand 32 zur negativen Gleichrichterklemme 21 fliesst, erzeugt Spannungabfälle über die Vorwiderstände 22 und 32, die sich mit dem Laststrom verändern. Im allgemeinen sind
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ist, kann die Gleichrichterschaltung von Fig. 3 gemäss Fig. 4 abgewandelt werden. Die übereinstimmenden Teile von Fig. 3 und 4 sind mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Fig., unterscheidet sich insofern von Fig. 3, als zwei nahez'identische induktive Reaktanzen verwendet werden, von denen die eine aus einer Wicklung 35 auf einem Kern 36 aus magnetischem Material und die andere aus einer Wicklung 37 auf einem Kern 38 aus magnetischem Material bestehen. Die Wicklung 35 ist parallel zum Vorwiderstand 22 und die Wicklung 37 parallel zum Vorwiderstand 32 geschaltet. Jeder der Kerne 36 und 38 besitzt einen Luftspalt, um eine Sättigung der Kerne zu verhindern, die durch die durch die Wicklung auf den Kern fliessende Gleichstromkomponente hervorgerufen werden kann.
Die Wicklungen 35 und 37 haben je einen so niedrigen ohmschen Widerstandswert, dass der Gleichspannungsabfall jeweils vernachlässigbar klein ist und eine Induktanz bei der Welligkeitsfrequenz, welche im Vergleich zum Wert jedes der Vorwiderstände 22 und 32 hoch ist. NachBeliebenkönnendieWicklungen 35 und 37 auch auf einen einzigenKern gewickelt werden, u. zw. in einem solchen Wicklungssinn, dass der vom Gleichrichter der Reihenschaltung aus Wicklung 35, Last 11 und Wicklung 37 zugeführte Strom das Entstehen von einander verstärkenden magnetomotorischen Kräften in dem für die beiden Wicklungen gemeinsamen magnetischen Kreis begünstigt.
Bei relativ grosser Leistungsentnahme kann der Fall auftreten, dass mit einem einzigen Elektrolytkondensator keine zu einer wirksamen Siebung ausreichende Kapazität bereitgestellt werden kann. Daher könnendieElektrolytkondensatoren23und33ausmehrerenFinheitenoderKondensatorenbestehen, die parallelgeschaltet sind, um die erforderliche Kapazität zu erlangen.
Bei einer Frequenz, die gleich der Frequenz oder kleiner ist, bei welcher die Kapazität C und die äquivalente Reiheninduktivität LC des Kondensators 23 z. B. in Reihenresonanz sind, ist es zweckmässig, dass zur Reduzierung oder Unterdrückung der grundlegenden Welligkeitsspannungskomponente der Vorwiderstand 22 möglichst wenig Streuinduktivität besitzt. Ist das der Fall, dann kann die Welligkeitsspannung bei einer Frequenz, die gleich der Reihenresonanzfrequenz ist, in der Ausgangs-oder Lastschaltung weitgehend eliminiert werden. Das ist der Tatsache zuzuschreiben, dass die Impedanz, die sich aus der äquivalenten Reiheninduktivität und der Kapazität des Elektrolytkondensators 23 ergibt, bei einer Frequenz, die gleich der Resonanzfrequenz oder kleiner ist, kleiner als die Reaktanz der Kapazität allein ist.
Bei der Resonanzfrequenz würde die Serienreaktanz des Kondensators gleich Null sein, so dass, wenn der Vorwiderstand, 22 keine induktive Komponente hätte, ein vollständiges Verschwinden der
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Welligkeitsspannung bei dieser Frequenz denkbar wäre. Eine solche Konstruktion der Filtereinrichtung ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Welligkeitsspannung am Kondensator im wesentlichen aus einer einzigen Frequenzkomponente besteht oder wenn die Spannungskomponente bei der Resonanzfrequenz ohne Rücksicht auf Spannungskomponenten bei andern Frequenzen am Ausgang unterdrückt werden soll.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vollweggleichrichterschaltung mit Siebkondensavor zur Kompensation von Welligkeitsspannungen in einer Ausgangslast, dadurch gekennzeichnet, dasszurKompensationderdurchdieinduktive und reelle Komponente des Scheinwiderstandes des Siebkondensators bedingten Welligkeitsspannung eine Reihenschaltung des Siebkondensators (23), dessen Impedanz sowohl aus seiner Kapazität (C) als auch aus einer äquivalentcnReiheninduktanz (LC) und einem äquivalenten Reihenwirkwiderstand (RC) gebildet wird,
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valenten Reihenwirkwiderstandes, parallel zum Ausgang des Vollweggleichrichters liegt und dass die am Vorwiderstand auftretende WelligkeiTsspannung durch asymmetrische oder symmetrische Gegenschaltung mit der am Siebkondensator (23)
auftretenden Welligkeitsspannung, die Welligkeitsspannung in der Ausgangslast (11) aufhebt.