DE2000831B2

DE2000831B2 - Steuerbarer Netzgleichrichter mit Spannungsvervielfachung

Info

Publication number: DE2000831B2
Application number: DE19702000831
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Schroeder; Friedrich Dipl.-Ing. Wolff
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1970-01-09
Filing date: 1970-01-09
Publication date: 1979-10-04
Also published as: DE2000831A1; FR2076022A1; AT304707B; DE2000831C3; FR2076022B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Netzgleichrichter mit Spannungsvervielfachung mit zwei von einer Wechselspannungsquelle gespeisten antiparallelen Ventilzweigen und über diese Ventilzweige aufladbaren Kondensatoren, wie sie in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 angegeben sind.

Wenn gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Serienkondensator den beiden antiparallelen Vcntilzweigen gemeinsam vorgeschaltet ist, während ein Ladekondensator in Reihe mit dem Ventil des einen Ventilzweiges liegt, lädt sich der Serienkondensator über das ihn direkt mit der speisenden Wechselspannung verbindende Ventil auf deren Scheitelspannung auf. An diesem Ventil tritt dadruch eine zwischen Null und der doppelten Scheitelspannung veränderliche Spannung auf, die über das andere Ventil den mit ihm in Reihe liegenden Ladekondensator ebenfalls auf die doppelte Scheitelspannung auflädt.

Wenn gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2 zwei Lade-Kondensatoren über antiparallele Ventilzweige an die Wechselspannung angeschlossen sind, laden sich diese in entgegengesetzter Richtung auf die Scheitelspannung auf, und es kann zwischen den beiden den Ventilzweigen zugekehrten Ladekondensatorpolen die doppelte Scheitelspannung abgegriffen werden.

Derartige Schaltungsanordnungen sind in ungesteuerter Form aus dem Buch von S. W. Wagner »Stromversorgung elektronischer Schaltungen und Geräte«, Hamburg 1964, Seite 628, Bild 10.1/3a und b bekannt. Aus der US-PS 32 90 580 ist es bekannt, die Ausgangsspannung derartiger Netzgleichrichter dadurch steuerbar zu machen, daß beide Ventile als Thyristoren ausgebildet sind. Dies bedingt einen relativ großen Aufwand, da für jedes dieser Ventile je eine ..ieiiersCiluttiing vor^csCnCM sein rnüu. lmC oicucrscnäi-

tungen müssen hierbei getrennt zueinander ausgeführt sein und gegenphasig arbeiten.

Es ist auch eine Schaltung bekannt geworden, bei der nur ein Gleichrichter der Verdopplerschaltung durch einen Thyristor ersetzt ist, wobei mit diesem Thyristo.-die Durchflußphase der Netzwechselspannung während der einen Halbwelle gesteuert werden kann. Hierbei kann aber nur eine Hälfte der Spannung gesteuert werden und eine Steuerung auf den Spannungswert Null ist nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für steuerbare Netzgleichrichter mit Spannungsvervielfachung der den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 zugrunde liegenden Art eine Schaltung zu schaffen, bei der nur ein steuerbares Ventil und nur eine Steuerschaltung vorhanden ist, wobei aber dennoch eine Steuerung der Ausgangsspannung von Null auf den vollen Wert möglich ist.

Diese Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Maßnehmender Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Die Verwendung einer aus Dioden aufgebauten Brückenschaltung mit in der Gleichstromdiagonale angeordnetem Thyristor als Stellglied in einem Stromkreis eines Wechselstromverbrauchers ist an sich bekannt (FR-PS 15 39 355, US-PS 34 86 105, FR-PS 15 56 363). Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß diese bekannte Brückenschaltung unter Verwendung der bei den Spannungsvervielfacherschaltungen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 schon vorhandenen Ventile angewendet werden kann, was dazu führt, daß der technische Aufwand der Schaltung zur Steuerung der Ausgangsgleichspannung zwischen Null und dem doppelten Scheitelwert der Eingangswechselspannung geringer ist als bei den bisher bekannt gewordenen Schaltungsanordnungen, da nur ein steuerbares Ventil in Form eines Thyristors und nur eine Steuerschaltung benötigt werden.

Die Problemstellung erläuternde Schaltungsanordnungen und Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Sie sind im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 als Vergleich und zum Verständnis der Wirkungsweise eine bekannte Schaltungsanordnung,

Fig. 2 ein Beispiel wie mit Mitteln des Standes der Technik eine Steuerung der Ausgangsspannung von Null auf den vollen Wert erzielt werden könnte,

Fig.3 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit einer wesentlichen Vereinfachung der Schaltungsanordnung,

F i g. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 5 und 6 Steucischaltungen für den erfindungsgemäßen Netzgleichrichter.

Fig. 1 stellt eine bekannte Verdopplerschaltung dar. Der Netzpol E\ mit seinem Bezugspol £2 führt über den Kondensator Ci, der sich mit Hilfe der Diode D\ auf die Scheitelspannung der ersten Halbwelle auflädt, in der nachfolgenden Halbwellenphase des Wechselstromes dem als Thyristor Th ausgebildeten steuerbaren Ventil die doppelte Scheitelspannung zu, die sich aus der Addition der Ladespannung des Kondensators Q und der nachfolgenden Halbwelle der zugeführten Wechselspannung ergibt. Der Thyristor Th kann über seine Steuerelektrode G durch eine Phasenanschnittsteuerung für einen veränderbaren Phasenwinkel durchlässig gesteuert werden, so daß sich am Gleichspannungsausgang zwischen den Punkten A\ und A2 auf dem Lädekündcnsäiui' Ci die gewüiiscliie Gleichspannung

ergibt. Diese Gleichspannung kann aber nie kleiner sein als der Scheitelwert der Netzwechselspannung, der als Ladespannung auf dem Kondensator Q vorhcuiden ist.

F i g. 2 zeigt eine Möglichkeit, wie unter Anwendung einer bekannten Thyristor-Auschnitisteuerung im Wechselstromeingang der Gleichrichteranordnung eine bessere Steuerbarkeit erzielt werden kann. Die aus den Dioden D₃, D^, D₅ und D₆ gebildete Gleichrichterbrücke enthält zwischen ihren Gleichspannungspolen c und d einen Thyristor Th. Da zwischen c und d die ι ο kommutierten Halbwellen in Durchlaßpolarität für den Thyristor Th vorhanden sind, kann der Thyristor in jeder Halbwelle durchlässig gesteuert werden. Diese Durchlässigkeit überträgt sich auch auf die Wechselstromanschlüsse a und b der Gleichrichterbrückenschal- '' tung, so daß auch der Durchgang zwischen diesen Punkten an der Steuerelektrode G des Thyristors Th gesteuert werden kann. Die nachfolgende Vrrdopplerschaltung mit dem Serienkondensator G und den Dioden Di und Di sowie dem Ladekondensator C2 erzeugt in bekannter Art eine Gleichspannung an den Ausgängen Ai und A2, die im Höchstfall der doppelten Scheitelspannung der an Ei und E₂ zugeführten Wechselspannung entspricht. Durch eine entsprechende Steuerung der relativen Phasenlage der Steuerimpulse 2^r> an der Steuerelektrode G des Thyristors Th bezogt η auf seine Anodenwechselspannung kann die Ausgangsgleichspannung an A\ und Ai vom doppelten Scheitelwert der Wechselspannung lückenlos bis auf Null gesteuert werden. i<>

Fig. 3 zeigt eine demgegenüber vereinfachte erfindungsgemäße Schaltung, bei der der Brückenzweig mit den Dioden D5 und Dt, der vorher im Punkt b vereinigt war, aufgetrennt ist in die Punkte b'und b", so daß die Dioden D5 und Db die Verdopplerfunktion übernehmen ^!' können. Die Diode Ds liegt an einem Anschluß des Ladekondensators Ci, dessen anderer Anschluß mit dem Bezugspotential an den Anschlüssen Ei, A₂ verbunden ist. Die Diode Dt liegt mit ihrem Punkt b" an diesem Bezugspotential. Der Serienkondensator Ci liegt zwi- ·"> sehen dem Netzpol Ei und dem Wechselstronianschluß ader Gleichrichterbrückenschaltung.

Fig.4 ist eine andere Variante der erfindungsgemäßen Schaltung. Der Netzspannungseingang E] liegt hier unmittelbar an dem Wechselspannungseinspeisungspol -<^r> a der Gleichrichterbrückenschaltung. Der in Verdopplerfunktion arbeitende Brückenzweig ist mit der Diode Di an einen Anschluß des Ladekondensators Ci und mit seiner Diode De an einen Anschluß eines weiteren Ladekondensators C'\ gelegt. Die anderen beiden ^Γ)|1 Anschlüsse der Ladekondensatoren liegen am Netzpol £2· Damit tritt die Ausgangsgleichspannung der Gleichspannungsausgänge A\ und Ai symmetrisch zu den Netzpolen E\ und Ei auf.

Fig. 5 entspricht in ihrer Funktion der in Fig. 3 gezeigten Schaltung. Hier ist jedoch eine Möglichkeit der Steuerung des Thyristors Th über seine Steuerelektrode G gezeigt, die über den bistabilen elektronischen Schalter 1 (mit den Anschlüssen e, f, g) erfolgt, der aus einem steuerbaren Vierschichtleiter oder einer Ersatz- ^b" schaltung mit zwei Transistoren bestehen kann. Am Anschluß edes bistabilen elektronischen Schalters liegt ein Phasenschieberglied mit dem einstellbaren Widerstand R1 und dem Phasenschieberkondensator Ci zwischen der Kathode und Anode des Thyristors. Hier ^br> tritt zwischen den Punkten d und c die dazu benötigte kommutierte Halbwellenspannung auf. Das variable Element 2 des phasenregeinden Gliedes besteht hier beispielsweise aus dem einstellbaren Widerstand Ry.

Soll die Ausgangsgleichspannung stabilisiert werden, so wird dieser Widerstand Äj zweckmäßig durch eine steuerbare Schaltung, wie sie in F i g. 6 gezeigt ist, ersetzt. Hier besteht das phaseregelnde Element 2 aus dem Transistor T₂, dem Begrenzungswiderstand Rb und dem Anlaufwiderstand Ri.

Die in Fi g. 6 gezeigte Schaltung stellt ein praktisches Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung für einen Netzgleichrichter gemäß der Erfindung dar. Über den Netzpol Ei, einen Begrenzungswiderstand Ri, eine Strombegrenzungsdrossel Dr, den Serienkondensator Ci gelangt die Netzspannung an den Punkt a der Brückengleichrichterschaltung, deren Funktion der in F i g. 3 gezeigten Schaltung entspricht.

Der bistabile elektronische Schalter 1 ist in der Ersatzschaltung eines steuerbaren Vierschichtleiters dargestellt. Er erzeugt die Schaltimpulse für die Steuerelektrode G des Thyristors Th aus den kommutierten Halbwellen, die in der benötigten Phasenlage über den Phasenschieberkondensator Ci und das phasenregelnde Element 2 dem Anschluß e des bistabilen elektronischen Schalters 1 zugeführt werden. Rz, Ra, Rs sind Spannungsteilerwiderstände. Die phasenregelnde Größe wird am Gleichspannungsausgang Ay. A₂, an dem im Betrieb die Belastung liegt, mit Hilfe einer Gtneratorschaltung 5 erzeugt, deren Impulsfolgefrequenz, Impulsamplitiide und/oder Tastverhältnis durch die Netz- und Betriebsspannungsschwankungen gesteuert wird. Zwischen den Ladenkondensator C2 und dem Gleichspannungsausgang A\ ist noch ein Siebglied gezeichnet, das aus der Siebimpedanz Z und dem Siebkondensator Ce besteht.

Als aktives Element der Generatorschaltung 5 ist auch hier beispielsweise ein bi.siabiler elektronischer Schalter 4 oder seine Ersatzschaltung mit den Transistoren Tz und 7V eingesetzt. Die Arbeitsweise eines solchen Impulsgenerdtors ist an sich bekannt. Die über den Vorwiderstand R₁₂ und die Zenerdiode D₆ stabilisierte Betriebsspannung des Oszillators wird über einen Begrenzungswiderstand Ryz und einen einstellbaren Widerstand /?h einem Zeitkonstanten-Kondensator Ci zugeführt. Das nach dem Einschalten am Schaltungspunkt e des bistabilen elektronischen Schalters 4 entsprechend der Zeitkonstante /?u, Rh, G und der stabilisierten Betriebsspannung ansteigende Potential löst einen Stromfluß durch die in Serie geschalteten Transistoren T'z und Tz aus, sobald das Potential an dem Anschluß c des elektronischen Schalters 4 den an Anschluß g über einen Spannungsteiler Rq, Ry₀ bestimmten Maximalwert überschreitet. Der Stromfluß führt zur plötzlichen Entladung von G. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch. Die Spannung am Gleichspannungsausgang Au Ai wird dem Oszillator über einen einstellbaren Spannungsteiler Rys, R\b und Ä17 am Anschluß h des bistabilen elektronischen Schalter 4 zugeführt. Dabei tritt eine große Änderung der Impulsfolgefrequenz in Abhängigkeit von der Betriebsgleichspannung ein. Die Frequenzänderung wird von einer starken Änderung des Tastverhältnisses begleitet. Die Emitterkombination eines Emitterwiderstandes Rw und eir.es Kondensators G dient der Anpassung des Oszillators bezüglich der an der Basis im Schaltungspunkt h des bistabilen elektronischen Schalter 4 zugeführten Betriebsspannungsschwankung. Die Impulse werden am Punkt g des Schalters 4 entnommen und dem Zähldiskriminator 3 zugeführt. Die gewünschte Ausgieichspannung wird mit Ry_b eingestellt.

Die Arbeitsweise des Zähldiskriminators 3 ist bekannt. Der Differenzierkondensator C$ lädt sich bereits zu Beginn jedes Impulses in kurzer Zeit auf die volle Impulsspannung auf. Dies geschieht über eine Diode Dg. In der Impulspause gibt er seine Ladung über eine Diode Dj an einen Speicherkondensator G ab, dem noch ein Entladewiderstand parallel geschaltet werden kann. An dem Kondensator G entsteht eine mittlere Gleichspannung, deren Amplitude bei schneller Impulsfolge groß und bei langsamer Impulsfolge klein ist. Diese Spannung wird über einen Anpassungswiderstand R_s, dem Eingang des phasenregelnden Elementes 2 als Regelspannung zugeführt.

Während es bei einer normalen Zähldiskriminatorschaltung üblich ist, die Amplitude der zugeführten Impulse auf einen konstanten Wert zu begrenzen, is dies bei der angegebenen Schaltung nicht erforderlich. Der verwendete Oszillator liefert in Abhängigkei von den Spannungsschwankungen der Ausgangsgleich spannung nicht nur eine sich ändernde Wiederholfre quenz der Impulse oder ein sich änderndes Tastverhält nis, sondern auch eine entsprechend schwankend! Amplitude der Impulse. Da alle diese Änderungen in gleichen phasenregelnden Sinne auftreten, wird die al

ι» Zähldiskriminator bezeichnete Schaltung 3 gleichzeitij auch als Amplitudendemodulator benutzt. Damit wer den auch die Amplitudenschwankungen des Oszillator 5, die den Betriebsspannungsschwankungen der Aus gangsgleichspannung entsprechen, als Regelspannunj

li für das phasenregeinde Element 2 ausgenutzt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuerbarer Netzgleichrichter mit Spannungsvervielfachung mit über einen Serienkondensator an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen antiparallelen Ventilzweigen, wobei einer der Ventilzweige in Reihe mit dem Ventil einen Ladekondensator aufweist, an dem die Ausgangsgleichspannung abgegriffen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem als Diode ausgebildeten Ventil (D 5 bzw. D 6) jedes Ventilzweiges jeweils eine entgegengesetzt gepolte Diode (D3 bzw. DA) geschaltet ist und daß als einziges steuerbares Ventil ein Thyristor (Th) in die Gleichstromdiogonale der so entstandenen Brückenschaltung geschaltet ist

2. Steuerbarer Netzgleichrich'er mit Spannungsvervielfachung mit zwei an einer Wechselspannungsquelle angeschlossenen antiparallelen Ventilzweige, wobei jeder Ventilzweig in Reihe mit dem Ventil einen Ladekondensator aufweist und die Ausgangsgleichspannung zwischen den beiden den Ventilen zugekehrten Ladekondensatorpolen abgegriffen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem als Diode ausgebildeten Ventil (DS bzw. D 6) jedes Ventilzweiges jeweils eine entgegengesetzt gepolte Diode (D3 bzw. D4) geschaltet ist und daß als einziges steuerbares Ventil ein Thyristor (Th) in die Gleichstromdiagonale der so entstandenen Brückenschaltung geschaltet ist.