CH663502A5

CH663502A5 - LOW-PASS FILTER FOR ELECTRICAL CONSUMERS LIKE AC / DC CONVERTERS.

Info

Publication number: CH663502A5
Application number: CH6276/83A
Authority: CH
Inventors: Ernst Wiesner
Original assignee: Zumtobel Ag
Priority date: 1983-01-03
Filing date: 1983-11-23
Publication date: 1987-12-15
Also published as: ATA683A; JPS59220069A; AT375498B; DE3342011C2; DE3342011A1; JPH0582144B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tiefpassfilter für elektrische Verbraucher, insbesondere AC/DC-Wandler mit einer Gleichrichterschaltung und mindestens einem am Gleichspannungsausgang vorgesehenen Kondensator sowie mindestens einer der Gleichrichterschaltung vorgeschalteten, in einer Versorgungsleitung für die Gleichrichterschaltung angeordneten Drosselspule mit mindestens einer Wicklung und einem Eisenkern. The invention relates to a low-pass filter for electrical consumers, in particular AC / DC converters with a rectifier circuit and at least one capacitor provided at the DC voltage output and at least one choke coil connected upstream of the rectifier circuit and arranged in a supply line for the rectifier circuit with at least one winding and an iron core.

Bekannte Gleichrichterschaltungen mit Glättungskondensa-toren haben den Nachteil, dass sie eine ausgeprägte Netzrückwirkung aufweisen. Wird die Schaltung an die Netzspannung angeschlossen, so wird der Kondensator aufgeladen. Dieser Kondensator ist relativ gross bemessen, damit die Ausgangsspannung möglichst konstant gehalten werden kann. Bei angeschlossenem Verbraucher weist in der Folge der primärseitige Stromverlauf extreme Spitzen auf, welche ausgefiltert werden müssen da die dadurch bedingten Oberwellen das Versorgungsnetz stören, insbesondere dann wenn über das Netz hochfrequente Steuerimpulse gesandt werden, wie dies bei den heutigen Versorgungsnetzen üblich ist (tonfrequente Steueranlagen). Known rectifier circuits with smoothing capacitors have the disadvantage that they have a pronounced system feedback. If the circuit is connected to the mains voltage, the capacitor is charged. This capacitor is relatively large so that the output voltage can be kept as constant as possible. As a result, when the consumer is connected, the primary-side current profile shows extreme peaks that must be filtered out because the harmonics caused by this disturb the supply network, especially when high-frequency control pulses are sent via the network, as is common in today's supply networks (audio-frequency control systems) .

Zur Behebung dieser Nachteile wurden schon eisenbestückte Drosseln der Gleichrichterschaltung vorgelagert, eventuell auch in symmetrischer Anordnung. Diese Drosseln müssen extrem stark dimensioniert sein. Zusätzlich werden Kondensatoren vorgesehen. Diese Serienschaltung von Eisendrossel und Kondensator bilden einen Reihenschwingkreis, der zu erheblichen Spannungsüberhöhungen im Leerlauf führt. In order to remedy these disadvantages, iron-mounted chokes have been placed upstream of the rectifier circuit, possibly also in a symmetrical arrangement. These chokes must be extremely large. Capacitors are also provided. This series connection of iron choke and capacitor form a series resonant circuit, which leads to considerable voltage increases during idling.

Zur Reduzierung bzw. Unterbindung der Netzrückwirkung solcher Schaltungen wurden auch schon elektronische Filter entwickelt, wobei hier Halbleiterschalter verwendet werden, die das Netz gleichmässig belasten, wobei durch zusätzliche Anordnung von Induktivitäten und Kondensatoren eine mehr oder weniger konstante und lastunabhängige Gleichspannung gewonnen werden kann. Diese Schaltungen arbeiten mit Hochfrequenzimpulsen, deren Rückwirkung auf das Versorgungsnetz einen zusätzlichen aufwendigen Filtereinsatz fordern. Wenngleich durch diese bekannten Massnahmen die Gleichspannung konstant gehalten werden kann und nur ein ausserordentlich geringer Oberwellenanteil in das Versorgungsnetz gelangt und auch darüberhinaus mit solchen Schaltungen sogar noch zusätzliche Steuerungs- und Regelaufgaben gelöst werden können, liegt ihr Nachteil in ihrem ausserordentlichen apparativen Aufwand, der nur mit hohen Kosten zu bewältigen ist. Electronic filters have also already been developed to reduce or prevent the network feedback of such circuits, semiconductor switches being used here that evenly load the network, whereby a more or less constant and load-independent DC voltage can be obtained by additional arrangement of inductors and capacitors. These circuits work with high-frequency pulses, the effect of which on the supply network requires an additional complex filter insert. Although these known measures can keep the DC voltage constant and only an extraordinarily low harmonic component reaches the supply network and even additional control and regulating tasks can also be solved with such circuits, their disadvantage lies in their extraordinary expenditure on equipment, which is only possible with high costs to be overcome.

Die Erfindung geht nun von der erstskizzierten Schaltung aus und sie zielt auf eine Verbesserung der elektrischen Eigenschaften dieser Schaltung ab, wobei mit einem minimalen apparativen Aufwand die Lastabhängigkeit vermieden und die Filterwirkung in weitem Frequenzbereich verbessert werden soll. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt dadurch, dass die Wicklung der Drossel eine Anzapfung aufweist, welche mit der Gleichrichterschaltung verbunden ist und das Ende der Wicklung der Drossel über einen Kondensator mit der zweiten Versorgungsleitung für die Gleichrichterschaltung verbunden ist. Damit wird aber auch die Güte des Schwingkreises verbessert, da der Verbraucher über eine Anzapfung angekoppelt ist. The invention is now based on the first sketched circuit and aims at improving the electrical properties of this circuit, the load dependency being avoided and the filtering effect being to be improved over a wide frequency range with a minimal outlay on equipment. This object is achieved in that the winding of the inductor has a tap which is connected to the rectifier circuit and the end of the inductor winding is connected to the second supply line for the rectifier circuit via a capacitor. However, this also improves the quality of the resonant circuit, since the consumer is connected via a tap.

Eine zweckmässige Ausgestaltung der Erfindung auch darin, dass die Wicklung der Drossel aus zwei hintereinander geschalteten Teilwicklungen besteht, zwischen welchen die Gleichrichterschaltung angeschlossen ist und der Eisenkern der Drossel mindestens einen die Achsen der Teilwicklung querender Streusteg besitzt. Damit ist es möglich, höhere, oberhalb der Resonanzfrequenz liegende Oberschwingungsanteile stark zu dämpfen. Eine besonders starke Dämpfung für hohe Frequenzen, also für Frequenzen, die erheblich oberhalb der Resonanzfrequenz liegen, beispielsweise Störfrequenzen im Radiobereich wird dann erreicht, wenn in jeder der beiden Versorgungsleitungen für die Gleichrichterschaltung eine Drossel mit angezapfter oder zweigeteilter Wicklung angeordnet ist. An expedient embodiment of the invention also consists in the fact that the winding of the choke consists of two partial windings connected in series, between which the rectifier circuit is connected and the iron core of the choke has at least one scattering web crossing the axes of the partial winding. This makes it possible to strongly dampen higher harmonic components above the resonance frequency. A particularly strong attenuation for high frequencies, i.e. for frequencies that are significantly above the resonance frequency, for example interference frequencies in the radio range, is achieved if a choke with a tapped or split winding is arranged in each of the two supply lines for the rectifier circuit.

Um den Tiefpassfilter konstruktiv einfach zu gestalten, ist es zweckmässig, dass die Wicklungen der Drossel einen gemeinsamen Kern aufweisen, oder aber den Tiefpassfilter so auszubilden, dass die beiden Wicklungen der Drossel unsymmetrische Anzapfungen, beziehungsweise unsymmetrische Teilwicklungen aufweisen. In order to make the low-pass filter structurally simple, it is expedient for the windings of the choke to have a common core, or for the low-pass filter to be designed in such a way that the two windings of the choke have asymmetrical taps or asymmetrical partial windings.

Um höhere, oberhalb der Resonanzfrequenz liegende Oberschwingungsanteile stark zu dämpfen und um die Anordnung darüber hinaus symmetrisch zu gestalten, ist ferner vorgesehen, dass mindestens eine Wicklung einer Drossel zwei in reihengeschaltete Teilwicklungen aufweist und der Eisenkern mindestens einen die Achsen dieser Teilwicklungen querenden Streusteg aufweist. Zur Erzielung einer extremen Filterwirkung bezüglich einer Frequenz oder aber bezüglich mehrerer unterschiedlicher Frequenzen sind der Gleichrichterschaltung mehrere Drosseln mit angezapfter Wicklung und/oder mit Teilwick5 In order to strongly dampen higher harmonic components above the resonance frequency and also to make the arrangement symmetrical, it is further provided that at least one winding of a choke has two sub-windings connected in series and the iron core has at least one scattering bridge crossing the axes of these sub-windings. In order to achieve an extreme filter effect with respect to one frequency or with regard to several different frequencies, the rectifier circuit has a plurality of chokes with a tapped winding and / or with a partial winding 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

lungen und endseitig angeordneten Kondensatoren in Form einer Kaskadenschaltung vorgeschaltet. Lungs and upstream capacitors in the form of a cascade connection.

Durch die Abstimmung der Resonanzfrequenz des aus Drossel und Kondensator bestehenden Schwingkreises auf ca. 164 Hz. kann mit einem einzigen Filter in Netzen mit 50 oder 60 Hz. Netzfrequenz gearbeitet werden, wobei in der Regel ausreichende Dämpfung erzielt werden kann. By tuning the resonance frequency of the resonant circuit consisting of the choke and capacitor to approx. 164 Hz, it is possible to work with a single filter in networks with a network frequency of 50 or 60 Hz, whereby sufficient damping can generally be achieved.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail with reference to the drawing. Show it:

Fig. 1 eine herkömmliche Schaltung, von der die Erfindung ausgeht; 1 shows a conventional circuit from which the invention is based;

Fig. 2 den Strom verlauf auf der Netzspannungsseite; Fig. 2 shows the current on the line voltage side;

Fig. 3 bis 7 und 10 bis 12 verschiedene Schaltungen in der erfindungsgemässen Anordnung; 3 to 7 and 10 to 12 different circuits in the arrangement according to the invention;

Fig. 8 den Stromverlauf bei der Schaltung nach Fig. 3 auf der Netzspannungsseite. Fig. 8 shows the current profile in the circuit of FIG. 3 on the mains voltage side.

Zur Bezeichnung funktionell gleicher Teile sind in den einzelnen Figuren gleiche Hinweisziffern verwendet worden. The same reference numbers have been used in the individual figures to designate functionally identical parts.

Fig. 1 veranschaulicht eine herkömmliche Schaltung. Ein Vierwegegleichrichter 1 ist über die beiden Versorgungsleitungen 2 und 3 mit einem Wechselspannung (AC) führenden Netz verbunden. In der einen Versorgungsleitung 3 liegt eine eisenbestückte Drossel 4, welcher ein Kondensator 5 zugeschaltet ist. Die Ausgangsleitungen 6 und 7 des Gleichrichters 1 führen zu einem Gleichspannungs-(DC)-Verbraucher V, welchem ein Glättungskondensator 8 parallelgeschaltet ist. 1 illustrates a conventional circuit. A four-way rectifier 1 is connected via the two supply lines 2 and 3 to a network carrying alternating voltage (AC). In one supply line 3 there is an iron choke 4, to which a capacitor 5 is connected. The output lines 6 and 7 of the rectifier 1 lead to a direct voltage (DC) consumer V, to which a smoothing capacitor 8 is connected in parallel.

Fig. 2 zeigt den netzseitigen Stromverlauf bei einer Gleichrichterschaltung mit Ladekondensator, jedoch ohne Filterdrossel. Fig. 2 shows the line-side current profile in a rectifier circuit with a charging capacitor, but without a filter choke.

Fig. 3 zeigt nun eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schaltung. Die eisenbestückte Drossel 4 besitzt eine Anzapfung 10, die mit der Gleichrichterschaltung 1 verbunden ist. Das Ende der Wicklung der Drossel 4 ist über den Kondensator 11 mit der anderen Versorgungsleitung 2 verbunden. Dabei kann die Induktivität der Drossel 4 beliebig gross gewählt werden, wobei die Induktivität auf die ausgeprägteste Oberwelle abgestimmt werden kann, und zwar die Induktivität der gesamten Drossel. Fig. 8 zeigt nun den dadurch erzwungenen Stromverlauf auf der Versorgungsseite dieser Schaltung. 3 now shows a first embodiment of a circuit according to the invention. The iron-mounted choke 4 has a tap 10 which is connected to the rectifier circuit 1. The end of the winding of the inductor 4 is connected to the other supply line 2 via the capacitor 11. The inductance of the inductor 4 can be chosen to be as large as desired, and the inductance can be matched to the most pronounced harmonic, namely the inductance of the entire inductor. Fig. 8 shows the current curve forced on the supply side of this circuit.

Eine weitere Verbesserung bringt die Schaltung nach Fig. 4 Hier ist die Wicklung der Drossel 4 in zwei hintereinandergeschaltete Teilwicklungen 4' und 4' ' unterteilt, wobei der An-schluss 10 für die Gleichrichterschaltung zwischen diesen beiden Wicklungen liegt. Ferner besitzt der Eisenkern einen Streupfad 12, der zwischen den beiden Teilwicklungen 4' und 4' ', und zwar quer zu deren Achse verläuft. Der aus Fig. 8 ersichtliche Zacken im Stromverlauf ist bei dieser Schaltung erheblich geglättet. Um Hochfrequenzeinflüsse zu vermeiden, wird die Anordnung zweckmässigerweise symmetrisch aufgebaut, wie dies Fig. 5 zeigt, wobei hier die beiden Drosseln 4 und 40 einen gemeinsamen Eisenkern besitzen; Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung in Form einer Kombination der aus den Fig. 4 und 5 erkennbaren Schaltungsmassnahmen. Weitere Kombinationen der aufgezeigten Schaltungseinzelheiten zeigen die Fig. 10, 11 und 12. The circuit according to FIG. 4 brings a further improvement. Here, the winding of the inductor 4 is divided into two partial windings 4 ′ and 4 ″ connected in series, the connection 10 for the rectifier circuit being located between these two windings. Furthermore, the iron core has a scattering path 12, which runs between the two partial windings 4 'and 4' ', specifically transverse to their axis. The spike in the current profile shown in FIG. 8 is considerably smoothed in this circuit. To avoid high-frequency influences, the arrangement is expediently constructed symmetrically, as shown in FIG. 5, the two chokes 4 and 40 here having a common iron core; FIG. 6 shows a circuit arrangement in the form of a combination of the circuit measures recognizable from FIGS. 4 and 5. 10, 11 and 12 show further combinations of the circuit details shown.

663 502 663 502

Fig. 7 zeigt eine Kaskadenschaltung, deren Wirkungsweise sich aus dem Gesagten unmittelbar für den Fachmann ergibt. Jeder Drossel 4, 40 ist ein Überbrückungskondensator 11, 110 zugeordnet. Die Anzahl dieser L-C-Glieder kann noch beliebig vermehrt werden, wobei die einzelnen Drosseln 4, 40 bzw. Kondensatoren 11, 110 unterschiedliche Werte aufweisen können. Auch hier ist eine symmetrische Anordnung möglich, in dem in den beiden Zuleitungen für die Versorgungsspannung Drosseln 4 bzw. 40 paarweise angeordnet sind. Ist die Resonanzfrequenz des aus Drossel 4, 4' - 4", 40 und den Kondensatoren 11, 110 bestehenden Schwingkreises auf ca. 164 Hertz abgestimmt, so ist die Filterwirkung bei den beiden üblichen Netzfrequenzen von 50 bzw. 60 Hertz praktisch gleich. Das Gerät kann mit Gleichspannung, oder mit Wechselspannung von 50 bis 60 Hertz betrieben werden. FIG. 7 shows a cascade circuit, the mode of operation of which directly results for the person skilled in the art from what has been said. A bridging capacitor 11, 110 is assigned to each inductor 4, 40. The number of these L-C elements can be increased as desired, the individual chokes 4, 40 or capacitors 11, 110 having different values. A symmetrical arrangement is also possible here, in which chokes 4 and 40 are arranged in pairs in the two supply lines for the supply voltage. If the resonance frequency of the resonant circuit consisting of inductor 4, 4 '- 4 ", 40 and capacitors 11, 110 is tuned to approximately 164 Hertz, the filter effect is practically the same at the two usual network frequencies of 50 and 60 Hertz. The device can be operated with DC voltage or with AC voltage from 50 to 60 Hertz.

Die Vorteile dieser Schaltungen haben Versuche hinreichend bestätigt. Im einzelnen sind diese Vorteile wie folgt zu bezeichnen: bestimmbarer, sehr kleiner Oberwellengehalt; hohe Hochfrequenzdämpfung, in der Regel ohne zusätzliche Filter; niedrige Leerlaufspannung; geringe Lastabhängigkeit; sehr niedrige Verluste und damit hoher Wirkungsgrad; hervorragende Reduktion von Netzspannungstransienten; hoher Tonfrequenzscheinwiderstand. Tests have sufficiently confirmed the advantages of these circuits. These advantages can be described in detail as follows: determinable, very small harmonic content; high radio frequency attenuation, usually without additional filters; low open circuit voltage; low load dependency; very low losses and thus high efficiency; excellent reduction of line voltage transients; high audio frequency impedance.

Werden in einem Schaubild in Abhängigkeit des Windungszahlverhältnisses die hier interessierenden Werte aufgetragen, so ergibt sich das Bild nach Fig. 9. Das Windungszahlverhältnis wurde ermittelt aus: If the values of interest are plotted in a diagram as a function of the number of turns ratio, the result according to FIG. 9 results. The number of turns ratio was determined from:

(wi + w2)/wi wobei wi die Windungszahl ist, die (Fig. 3) zwischen dem netzseitigen Anschluss der Drossel 4 und dem Anschlusspunkt 10 der Gleichrichterschaltung liegt; w2 ist die Windungszahl der Drossel 4 zwischen Anschlusspunkt 10 und Kondensator 11. Es bedeutet ferner: (wi + w2) / wi where wi is the number of turns which (FIG. 3) lies between the line-side connection of the inductor 4 and the connection point 10 of the rectifier circuit; w2 is the number of turns of choke 4 between connection point 10 and capacitor 11. It also means:

Uo Uo

Leerlaufspannung Open circuit voltage

L L

Induktivität der Drossel 4 Choke inductance 4

C C.

Kapazität des Kondensators 11 Capacitance of the capacitor 11

T| T |

Leistungsfaktor n.OW = Power factor n.OW =

Anteil der n-ten Oberwelle Proportion of the nth harmonic

Nv Nv

Verlustleistung Power dissipation

WZN = WZN =

Windungszahlverhältnis. Ratio of turns.

Dieses Schaubild macht deutlich, dass für ein bestimmtes Windungszahlverhältnis der Anteil der dritten Oberwelle minimiert werden kann und dass bei der Abstimmung der Einrichtung auf diese dritte Oberwelle auch die weiteren ungeradzahligen Oberwellen-Anteile ganz erheblich zurückgehen. This diagram makes it clear that the proportion of the third harmonic can be minimized for a certain number of turns, and that when the device is tuned to this third harmonic, the further odd harmonic components also decrease considerably.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

V V

3 Blätter Zeichnungen 3 sheets of drawings

Claims

663 502

1.Low-pass filter for electrical consumers, in particular AC / DC converters with a rectifier circuit and at least one capacitor provided at the DC voltage output and at least one choke coil connected upstream of the rectifier circuit and arranged in a supply line for the rectifier circuit with at least one winding and an iron core, characterized in that the winding of the choke (4) has a tap (10) which is connected to the rectifier circuit (1) and the end of the winding of the choke (4) via a capacitor (11) to the second supply line (2) for the rectifier circuit ( 1) is connected.

2. Low pass filter according to claim 1, characterized in that the winding of the choke (4) consists of two series-connected partial windings (4 ', 4 "), between which the rectifier circuit (1) is connected and the iron core of the choke (4) at least has a scattering web (12) crossing the axes of the partial windings (FIG. 4).

2nd

PATENT CLAIMS

3. Low-pass filter according to claim 1 or 2, characterized in that in each of the two supply lines (2, 3) for the rectifier circuit (1) a choke (4, 40) with tapped or two-part winding is arranged, and the winding tap (10) is connected to the rectifier circuit (1), and the ends of the windings of the inductor (4, 40) are connected to one another via a capacitor (11) (FIGS. 5, 6).

4. Low pass filter according to claim 3, characterized in that the windings of the chokes (4, 40) have a common iron core (Fig. 5, 6, 11, 12).

5. Low-pass filter according to claim 3, characterized in that the two windings of the chokes (4, 40) have asymmetrical taps (10) or asymmetrical partial windings (Fig. 6).

6. Low-pass filter according to claim 3 or claim 5, characterized in that at least one winding of a choke (4) has two partial windings (4 ', 4 ") connected in series and the iron core has at least one of the axes of these partial windings (4', 4" ) has transverse spreader bar (12) (Fig. 4; 6; 10, 11, 12).

7. Low-pass filter according to one of claims 1 to 6, characterized in that the rectifier circuit (1) upstream of a plurality of chokes (4, 40) with tapped winding and / or with partial windings and capacitors (11, 110) arranged in the form of a cascade circuit (Fig. 7).

8. Low pass filter according to one of claims 1 to 7, characterized in that the resonance frequency of the choke (4, 4 '- 4 ", 40) and capacitor (11, 110) existing resonant circuit is tuned to approximately 164 Hertz.