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Gleichrichterschaltung mit Spannungsverdopplung Die Erfindung ermöglicht
eine wirtschaftliche Gestaltung von Leistungsgleichrichtern vorzugsweise mittlerer
Leistung, wie sie z. B. bei elektronischen Geräten mit Netzanschluß benötigt werden.
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Die Erfindung vermeidet Nachteile bekannter Gleichrichterschaltungen,
wie sie an Hand der Zeichnungen Fig. 1 bis 6 erläutert werden. Fig.
1 zeigt die Einwegschaltung mit Ladekondensator. Der Netztransformator
1 speist den als Spitzengleichrichter arbeitenden Gleichrichter 2, auf den
der Ladekondensator 3 mit dem Verbraucher 4 folgL Die Schaltung besitzt bekanntlich
die Nachteile eines hohen Innenwiderstandes, einer großen Restwelligkeit und einer
schlechten Ausnutzung der Transformatortypenleistuno, infolge C-Betriebes des Gleichrichters
mit hohen Stromspitzen. Bei der Vollweggleichrichtung nach Fig. 2 mit Ladekondensator
wird durch Benutzung einer Zweiphasenspannung eine kleinere Brummspannung und etwas
geringere Lastabhängigkeit der Ausgangsspannung erzielt. Da aber auch hier die Gleichrichter
im C-Betrieb arbeiten, besitzt die Schaltung im wesentlichen dieselben Nachteile
wie die Einwegschaltung. Bessere Eigenschaften weist die Vollwegschaltung nach Fig.
3 mit Drosseleingang auf. Bei genügend großer Induktivität der Drossel
5 wird ein Stromflußwinkel von 180' jedes Gleichrichters erzwungen,
wodurch eine geringere Belastung des Transformators infolge niedrigerer Effektivströme
erreicht wird. Außerdem sinkt bei Belastung die Gleichspannung weniger ab, da der
Kondensator nur noch zur Siebung der Restweiligkeit und nicht mehr zur Spannungshaltung
während der stromflußlosen Zeiten der Gleichrichter dient. Da aber jede Wicklungshälfte
des Netztransformators nur während einer Halbperiode Strom liefert, wird die günstigste
leistungsmäßige Transformatorenausnutzung nicht in dieser Schaltung, sondern bei
einem Vollweggleichrichter mit Drosseleingang, der aus einer Einphasenspannung gespeist
wird, erzielt. Diese bekannte Schaltung nach Graetz sieht mit Drosseleingang und
Siebkondensator so aus, wie Fig. 4 zeigt. Nachteilig ist, daß die Schaltung vier
Gleichrichter benötigt und sich deshalb und weil die Gleichrichter wechselstromseitig
auf verschiedenen Potentialen liegen, schlecht zur Spannungsregelung durch Stromflußwinkelsteuerung
eignet. Bei Verwendung stromflußwinkelgesteuerter Gleichrichter wird daher vorzugsweise
die Vollwegschaltung nach Fig. 3 benutzt. Da bei der Stromflußwinkelsteuerung
der Transformator mit höheren Spitzenströmen belastet wird, ist es besonders nachteilig,
wenn zudem jede Wicklungshälfte nur während jeder zweiten Halbperiode den Gleichstrom
liefert, wodurch die Effektivstrombelastung des Transformators weiter heraufgesetzt
wird.
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Neben diesen Schaltungen werden zur Gleichstromversorgung elektronischer
Geräte auch Spannungsverdoppler verwendet. Hierbei findet die Spannungsverdopplerschaltung
nach V i 11 a r d (Fig. 5) wegen ihres großen Innenwiderstandes,
der Restwelligkeit und der hohen Spannungsbelastung der Schaltelemente als Leistungsgleichrichter
kaum Anwendung.
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Die Spannungsverdopplerschaltung nach D e 1 o n oder
G r e i n a c h e r (Fig. 6) be steht im Prinzip aus zwei Einweggleichrichtern,
die, aus derselben Transformatorwicklung gespeist, zwei in Serie geschaltete Kondensatoren
aufladen. Vorteilhaft ist, daß die Transformatorwicklung nur die halbe Spannung
gegenüber den nichtverdoppelnden Schaltungen aufzuweisen braucht: dies ermöglicht
Isolationseinsparungen, was zusammen mit den häufig günstigeren Drahtstärken zu
einer besseren Winkelraumausnutzung und höheren Betriebssicherheit des Netztransformators
führt. Außerdem brauchen die Gleichrichter auch nur die halbe Sperrspannung aufzuweisen,
was insbesondere bei Kristallgleichrichtern nicht nur die Kosten verringert, sondern
auch die Betriebssicherheit erhöht. Die Schaltung benötigt zwar zwei Ladekondensatoren
doppelter Kapazität. Dies ist aber bei Verwendung von Elektrolytkondensatoren häufig
nicht als Nachteil anzusehen. Einmal kommen bei Gleichspannungen zwischen
500
bis 1000 V an sich nur Serienschaltungen zweier Kondensatoren in
Frage, da Elektrolytkondensatoren über 500 V nicht handelsüblich sind. Aber
auch bei Gleichspannungen unter 500 V ist zur Erhöhung der Betriebssicherheit
und zur Verringerung der Restströme eine Serienschaltung zweier Elektrolytkondensatoren
vorteilhaft, sie scheitert bei Schaltungen ohne Spannungsverdopplung
aber
meistens daran, daß zur gleichmäßigen Spannungsaufteilung parallel zu den Kondensatoren
ein energieverbrauchender Spannungsteiler aus ohmschen Widerständen erforderlich
ist. Bei der Verdopplerschaltung sorgen hingegen die getrennten Gleichrichter für
eine richtige Gleichspannungsaufteilung an den Kondensatoren. Da diese Schaltung
aber ebenfalls mit Spitzengleichrichtung arbeitet, haften ihr alle Nachteile des
C-Betriebes mit seiner hohen Belastungsabhängigkeit der Gleichspannung und der schlechten
Ausnutzung des Transformators an. In dieser Beziehung verhält sich, wie gezeigt,
die Graetzschaltung mit Drosseleingang am günstigsten, sie benötigt aber vier Gleichrichter
und ist zur Stromflußwinkelsteuerung kaum geeignet.
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Demgegenüber benötigt die Schaltung nach der Erfindung nur zwei Gleichrichter,
von denen bei Spannungsregeluno, nur eine Gleichrichterstrecke gesteuert zu werden
braucht. Außerdem belastet diese Schaltung den Transformator nur mit denselben Effektivströmen
wie die Graetzschaltung und besitzt außerdem die Vorteile der Spannungsverdopplerschaltung.
Die Erfindung behandelt eine Gleichrichterschaltung mit Spannungsverdopplung, bei
der die gleichgerichtete Spannung an der Reihenschaltung zweier Kondensatoren abgenommen
wird, wobei die gleichzurichtende Wechselspannung einerseits an den Verbindungspunkt
der beiden Kondensatoren, andererseits an den Verbindungspunkt zweier Schaltungszweige
gelegt wird, die jeweils aus der Reihenschaltung eines Gleichrichters und einer
Wicklungshälfte einer gemeinsamen Siebdrossel bestehen und deren andere Enden jeweils
mit einem Ende der Kondensatorreihenschaltung verbunden sind. Die Wirkunasweise
der Erfindung wird an Hand der C
Fig. 7 näher erläutert. Der Transformator
6 speist abwechselnd während je einer der beiden Halbperioden der
gleichzurichtenden Wechselspannung über die Gleichrichter 7 bzw.
8 die Serienschaltung der Kondensatoren 9 bzw. 10, an deren
äußeren Klemmen 11
und 12 der Verbraucher 13 liegt. In Serie mit jedem
Gleichrichterzweig liegt eine Wicklungshälfte der Drossel 1.4. Durch die magnetische
Verkopplung der beiden Wicklungshälften auf einem gemeinsamen Blechkern kann der
magnetische Fluß in der Drossel auch dann konstant bleiben, wenn der Gleichrichterstrom
von einem zum anderen Gleichrichter kommutiert. Bei genügend großer Induktivität
der Drossel und Entnahme eines ausreichenden Belastungsstromes besitzt der der Transformatorwicklung
entnommene Strom Rechteckkurvenform und hat so wie beim Graetz-Gleichrichter mit
Drosseleingang die theoretisch günstigste Kurvenforin mit dem niedrigst möglichen
Leistungsverlust im Transformator und in den Gleichrichtern. Die Drossel dient dabei
in bekannter Weise zugleich zur Verringerung der Restwelligkeit. In vorteilhafter
Weiterbildung der Erfindung kann diese Restwelligkeit durch Abstimmung der Siebdrossel
auf die doppelte Netzfrequenz weiter verringert werden. Hierzu dient der Kondensator
15, der im allgemeinen nur klein im Vergleich mit den Kondensatoren
9 und 10 zu sein braucht.
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Da die Gleichrichterstrecken 7 und 8 unmittelbar am
Verbraucher anliegen, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung mit Hilfe einer
einfachen, Gleichstromkopplung eine von der Ausgangsspannung abgeleitete Regelspannung
zur Steuerung der beiden Gleichrichterventile angelegt werden. Zur Regelung der
Ausgangsspannung oder des Ausgangsstromes genügt im allgemeinen die Steuerung eines
Gleichrichters, weil durch die Verkopplung des zweiten Gleichrichterzweiges mit
der gemeinsamen Drossel bei Zusteuerung eines Gleichrichters auch der Gleichrichterstrom
im anderen Gleichrichterzweig zugesteuert wird, da die durch den Differenzstrom
in der Drossel induzierte Gegenspannung die wirksame gleichzurichtende Wechselspannung
verringert. Fig. 8 zeigt eine zweckmäßige Anordnung zur selbsttätigen Regelung
der Gleichspannuno, mittels eines stromflußwinkelgesteuerten Gleichrichters, z.
B. eines Gasentladungsgefäßes 16.
Das Gasentladungsgefäß selbst wird in bekannter
Weise bei steigender Ausgangsspannung zugesteuert. Diese Steuerspannung entsteht
an einem Spannungsteiler, der aus den Widerständen 17 und 18 besteht
und der zwischen der zu regelnden Gleichspannung und einer Vergleichsspannungsquelle
19 liegt. Zur Erzielung eines scharfen Zündeinsatzes wird das Gasentladungsgefäß
am Gitter zusätzlich von einer um 90'
der Anodenspannung nacheilenden Wechselspannung
g gesteuert.
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Die Schaltung nach Fig. 7 läßt sich ohne Veränderung ihrer
Wirkungsweise auch dahingehend abwandeln, daß in einem oder beiden Zweigen die Wicklungshälften
mit dem zugehörigen Gleichrichter in ihrer Reihenfolge vertauscht werden.