DE2000831C3

DE2000831C3 - Steuerbarer Netzgleichrichter mit Spannungsvervielfachung

Info

Publication number: DE2000831C3
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: 1980-06-19
Also published as: FR2076022B1; FR2076022A1; AT304707B; DE2000831A1; DE2000831B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Netzgleichrichter mit Spannungsvervielfachung mit zwei von einer Wechselspannungsquelle gespeister, 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 Scrienkondensator den beiden antiparallelen Ventilzweigen gemeinsam vorgeschaltet ist, während ein Ladekondensator in Reihe mit dem Ventil des einen Ventilzwciges 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.l/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 Steuerschaltung vorgesehen sein muß. Die Steuerschaltungen 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 Thyristor 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

ic 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 Maßnahmen der 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 ⁴⁽¹ 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 ¹^ 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,

5" Fig.4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,

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

Fig. 1 stellt eine bekannte Verdopplerschaltung dar. >^r> Der Netzpol E\ mit seinem Bezügspol Bt führt über den Kondensator Ci, der sich mit Hilfe der Diode Di 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 G und der nachfolgenden Halbwelle der zugeführten Wechselspannung ergibt. Der Thyristor Th kann über seine Steuerelektrode G durch eine Phasenanschnittsteue^h ung für einen veränderbaren Phasenwinkel durchlässig gesteuert werden, so daß sich am Gleichspannungsausgang zwischen den Punkten A\ und Ai auf dem Ladekondensator C? die gewünschte Gleichspannung

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

F i g. 2 zeigt eine Möglichkeit, wie unter Anwendung einer bekannten Thyristor-Auschnittsteuerung im Wechselstromeingang der Gleichrichteranordnung eine bessere Steuerbarkeit erzielt werden kann. Die aus den Dioden Dj, Da, Ds und A> gebildete Gleichrichterbrücke enthält zwischen ihren Gleichspannungspolen c und d einen Thyristor Th. Da zwischen c und d die kommutierten Halbwellen in Durchlaßpolarität für den Thyristor 77? vorhanden sind, kann der Thyristor in jeder Halbwelle durchlässig gesteuert werden. Diese Durchlässigkeit überträgt sich auch auf die Wechselstromanschlüsse a und b der Gleichrichterbrückenschaltung, so daß auch der Durchgang zwischen diesen Punkten an der Steuerelektrode G des Thyristors Th gesteuert werden kann. Die nachfolgende Verdopplerschaltung mit dem Serienkondensator C₁ und den Dioden D₁ und D₂ sowie dem Ladekcndensator G erzeugt in bekannter Art eine Gleichspannung an den Ausgängen A\ und A2. die im Höchstfall der doppelten Scheitelspannung der an £Ί und E₂ zugeführten Wechselspannung entspricht. Durch eine entsprechende Steuerung der relativen Phasenlage der Steuerimpulse an der Steuerelektrode C des Thyristors Th bezogen auf seine Anodenwechselspannung kann die Ausgangsgleichspannung an A\ und A₂ vom doppelten Scheitelwert der Wechselspannung lückenlos bis auf NuH gesteuert werden.

F i g. 3 zeigt eine demgegenüber vereinfachte erfindungsgemäße Schaltung, bei der der Brückenzweig mit den Dioden Ds und Dt der vorher im Punkt b vereinigt war, aufgetrennt ist in die Punkte b'und b", so daß die Dioden D₅ und D₆ die Verdopplerfunktion übernehmen können. Die Diode D₅ liegt an einem Anschluß des Ladekondensators C₂, dessen anderer Anschluß mit dem Bezugspotential an den Anschlüssen £2, A₂ verbunden ist. Die Diode Dt liegt mit ihrem Punkt b" an diesem Bezugspotential. Der Serienkondensator G liegt zwi- ■«> sehen dem Netzpol £Ί und dem Wechselstromanschluß a der Gleichrichterbrückenschaltung.

Fig.4 ist eine andere Variante der erfindungsgemäßen Schaltung. Der Netzspannungseingang E, liegt hier unmittelbar an dem Wechselspannungseinspeisungspol a der Gleichrichterbrückenschaltung. Der in Verdopplerfunktion arbeitende Brückenzweig ist mit der Diode D5 an einen Anschluß des Ladekondensators C₂ und mit seiner Diode Db an einen Anschluß eines weiteren Ladekondensators C₁ gelegt. Die anderen beiden so Anschlüsse der Ladekondensatoren liegen am Netzpol E2. Damit tritt die Ausgangsgleichspannung der Gleichspannungsausgänge A\ und A₂ symmetrisch zu den Netzpolen Ei und E2 auf.

F i g. 5 entspricht in ihrer Funktion der in F i g. 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 Vierschicht'ri'er oder einer Ersatz- ·> <> schaltung mit zwei Transistoren bestehen kann. Am Anschluß edes bistabilen elektronischen Schallers liegt ein Phasenschieberglied mit dem einstellbaren Widerstand R 1 und dem Phasenschieberkondensator G zwischen der Kathode und Anode des Thyristors. Hier ·>^Γ> tritt zwischen den Punkten d und c die dazu benötigte kommutierte Halbwellenspannung auf. Das variable Element 2 des phasenregelnden Gliedes besteht hier beispielsweise aus dem einstellbaren Widerstand A₁.

Soll die Ausgangsgleichspannung stabilisiert werden, so wird dieser Widerstand R\ zweckmäßig durch eine steuerbare Schaltung, wie sie ir.: Fig.6 gezeigt ist, ersetzt Hier besteht das phaseregelnde Element 2 aus dem Transistor 7^, dem Begrenzungswiderstand Rb und dem Anlaufwiderstand /?7.

Die in F i g. 6 gezeigte Schaltung stellt ein praktisches Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung für einen Netzgleichrichter gemäß der Erfindung dar. Über den Netzpol E₁, einen Begrenzungswiderstand R₂, eine Strombegrenzungsdrossel Dr, den Serienkondensator G 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 G und das phasenregelnde Element 2 dem Anschluß e des bistabilen elektronischen Schalters 1 zugeführt werden. Ri, /?4, Rs sind Spannungsteilerwiderstände. Die phasenregelnde Größe wird am Gleichspannungsausgang Au Λ2, an dem im Betrieb die Belastung liegt, mit Hilfe einer Generatorschaltung 5 erzeugt, deren Impulsfolgefrequenz, Impulsamplitude und/oder Tastverhältnis durch Hip Npt7- und Retriphssnanniingssrhwankiinjpn gesteuert wird. Zwischen den Ladenkondensator C₂ und dem Gleichspannungsausgang A\ ist noch ein Siebglied gezeichnet, das aus der Siebimpedanz Z und dem Siebkondensator G besteht.

Als aktives Element der Generatorschaltung 5 ist auch hier beispielsweise ein bistabiler elektronischer Schalter 4 oder seine Ersatzschaltung mit den Transistoren T₃ und 7V eingesetzt. Die Arbeitsweise eines solchen Impulsgenerators ist an sich bekannt. Die über den Vorwiderstand R\₂ und die Zcncrdiode Du stabilisierte Betriebsspannung des Oszillators wird über einen Begrenzungswiderstand /?u und einen einstellbaren Widerstand /?u einem Zeitkonstanten-Kondensator G zugeführt. Das nach dem Einschalten am Schaltungspunkt e des bistabilen elektronischen Schalters 4 entsprechend der Zeitkonstante Rn, R\4, G und der stabilisierten Betriebsspannung ansteigende Potential löst einen Stromfluß durch die in Serie geschalteten Transistoren T'j und T₃ aus, sobald das Potential an dem Anschluß c des elektronischen Schalters 4 den an Anschluß g über einen Spannungsteiler R<>, R\₀ bestimmten Maximalwert überschreitet. Der Stromfluß führt zur plötzlichen Entladung von G- Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch. Die Spannung am Gleichspannungsausgang Au A₂ wird dem Oszillator über einen einstellbaren Spannungsteiler R^, R\t und Ru 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 eines Kondensators G, dient der Anpassung des Oszillators bezüglich der an der Basis im Schaltungspunkt h des bistabilen elektronischen Schalter 4 zugeführten Betriebsspannungsschwanküng. Die Impulse werden am Punkt g des Schalters 4 entnommen und dem Zähldiskriminator 3 zugeführt. Die gewünschte Ausgleichspannung wird mit R\b eingestellt.

Die Arbeitsweise des Zähldiskriminators 3 ist bekannt. Der Differenzierkondensator C5 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 /?8, dem Eingang des phasenregelnden Elementes 2 als Regelspannung zugeführt.

Während es bei einer normalen Zähldiskriminatorschaltung üblich ist, die Amplitude der zugeführlen Impulse auf einen konstanten Wert zu begrenzen, isi dies bei der angegebenen Schaltung nicht erforderlich.

Der verwendete Oszillator liefert in Abhängigkeil 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 schwankende Amplitude der Impulse. Da alle diese Änderungen in gleichen phasenregelnden Sinne auftreten, wird die al; Zähldiskriminator bezeichnete Schaltung 3 gleichzeitij auch als Amplitudendemodulator benutzt. Damit wer den auch die Amplitudenschwankungen des Oscillator 5, die den Betriebsspannungsschwankungen der Aus gangsgleichspannung entsprechen, als Regelsp. innunj für das phasenregelnde 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 (D 3 bzw. D 4) geschaltet ist und daß als einziges steuerbares Ventil ein Thyristor (Th) in die Gleichstromdiogonale der so entstandenen Brückenschaltung geschaltet ist.

2. Steuerbarer Netzgleichrichter mit Spannungsvervielfachung mit zwei an einer Wechseispannungsquelle 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 (D 5 bzw. D 6) jedes Ventilzweiges jeweils eine entgegengesetzt gepolte Diode (D 3 bzw. D4) geschaltet ist und daß als einziges steuerbares Ventil ein Thyristor (Th) in die Gleichstromdiagonale der so entstandenen Brückenschaltung geschaltet ist.