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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte passive Stromfilterschaltung,
insbesondere eine Stromversorgungsschaltung, die für die Ausgleichsschaltung
eine Nennspannung entsprechend ihren Anforderungen bereitstellen
kann.
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Hintergrund
der Erfindung
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Mit
dem Fortschritt in Wissenschaft und Technologie sind die Menschen
immer mehr abhängig
von elektrischer Energie, ja elektrische Energie stellt eine unverzichtbare
Ressource für
das moderne Leben dar. Zuvor waren die Menschen zufrieden, solange
keine Knappheit an elektrischer Energie bestand. Aufgrund des steigenden
Lebensstandards und Fortschritten der wissenschaftlich-technologischen
Industrie ist jedoch eine Stromversorgung von hoher Qualität das gemeinsame
Ziel von sämtlichen Ländern geworden.
In vielen Ländern
hat sich die herkömmliche
Industrie in eine Hochtechnologie-Industrie und Industrie mit hoher
Wertschöpfung
weiter entwickelt, was insbesondere bedeutet, dass zahlreiche Präzisionsgeräte extensiv
eingesetzt werden; deshalb haben sich auch die Anforderungen an
die elektrische Energie geändert
und außer
der Tatsache, dass die Nutzer immer größere Strommengen einkaufen,
schenken die Nutzer auch der Qualität der Stromversorgung große Beachtung.
Was die Strommenge anbelangt, so stellt die Errichtung einer großen Anzahl
von Kraftwerken nicht den einzigen Weg dar, um das Energieproblem
zu lösen;
größere Beachtung
des Leistungsfaktors (Power Factor) oder des Wirkungsgrads von verschiedenen elektrischen Geräten stellt
ebenfalls eine wirkungsvolle Vorgehensweise dar. Augenblicklich
verwenden die meisten elektrischen Geräte unmittelbar oder mittelbar
einen Gleichstrom; aufgrund der Generatorsysteme und der Notwendigkeit
einer Weiterleitung des Stroms stellen Kraftwerke jedoch einen Wechselstrom
bereit. Deshalb müssen
die Nutzer einen Wechselstrom mit Hilfe eines Wechselstrom-/Gleichstrom-Wandlers
in einen Gleichstrom transformieren. Aufgrund eines kostengünstigen
und einfachen Aufbaus ist der am häufigsten verwendete Wechselstrom-/Gleichstrom-Wandler
der Diodenbrücken-Gleichrichter,
der nur vier Dioden erfordert. Die 2 zeigt
die Spannungs-/Strom-Signalformen des Diodenbrücken-Gleichrichters. Dieser
Schaltungstyp hat den Nachteil, dass harmonische Komponenten des
Eingangsstroms und eine Phasendifferenz zwischen der Eingangsspannung
und dem Eingangsstrom auftreten; deshalb wird der Leistungsfaktor
herabgesetzt und gibt es eine erhebliche Verzerrung zwischen der
Signalform der Ausgangsspannung und der Signalform des Eingangsstroms,
was zu einer Instabilität
des Stromversorgungssystems oder sogar zu einer Unterbrechung der
Stromversorgung führen
wird. Aufgrund der Eigenschaften der internen Impedanz bzw. Geräteimpedanz
sind die Leistungsfaktoren von vielen elektrischen Geräten ziemlich klein;
Nutzer fordern jedoch Strom mit immer besserer Qualität; deshalb
wird die Verbesserung des Leistungsfaktors von Stromversorgungen
eine wichtige Aufgabe, so dass sich die Technologie auf Stromfilterschaltungen
für Stromversorgungen
fokussiert.
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Die
Hauptfunktion einer Strom- bzw. Spannungsfilterspannung besteht
darin, Spannung und Strom in eine gleiche Phase zu bringen, um zu
bewirken, dass eine Last wie ein Widerstand wirkt, um die harmonische
Komponente eines Eingangsstroms zu reduzieren, wobei die vorgenannte
Funktion mit zahlreichen Schaltungsdesigns realisiert werden kann, die
in passive Stromfilterschaltungen und aktive Stromfilterschaltungen
unterteilt werden können. Wegen
ihres einfachen Ausbaus und ihrer geringen Kosten setzt die Industrie
für gewöhnlich die
passive Stromfilterschaltung ein. Die passive Stromfilterschaltung
besteht hauptsächlich
aus passiven Bauelementen, wie beispielsweise Kapazitäten und
Induktivitäten,
die dazu verwendet werden, um das Voreilen oder Nacheilen der Stromphase
zeitlich zu versetzen und um die harmonische Komponente eines Stroms
zu reduzieren. Wenn die Anforderungen an den Leistungsfaktor nicht
so hoch sind, ist die Induktivität,
die aus einer Mehrzahl von über
einen Luftspalt zu einander beabstandeten Silizium-Stahl-Blechen
gebildet ist, mit dem Eingangsanschluss in Reihe geschaltet oder
wirkt die Induktivität mit
einer Kapazität
zusammen, um einen Tiefpassfilter vom LC-Typ oder vom π-Typ auszubilden.
Je tiefer die verwendete Frequenz jedoch ist, desto größer ist
die Induktivität,
die benötigt
wird; falls beispielsweise die ATX-Stromversorgung eines PCs eine
passive Filterschaltung ist, ist diese oftmals groß und schwer
und ist der bestmögliche
Leistungsfaktor maximal etwa 70 %. Somit ist der passive Stromfilter
für strenge
Anforderungen an den Leistungsfaktor nicht geeignet.
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Um
den vergleichsweise schlechten Leistungsfaktor der passiven Stromfilterschaltung
zu verbessern, verwenden herkömmliche
Lösungsansätze eine
Ausgleichsschaltung (Compensating Circuit), die zu der ursprünglichen
passiven Stromfilterschaltung hinzu gefügt ist. Wie in der 1 gezeigt,
umfasst die herkömmliche
Stromfilterschaltung: eine Überlastschutz-Schaltung 11,
eine Spitzenstrom-Begrenzungsschaltung 12, eine erste Filterschaltung 13,
eine Leistungsfaktor-Regelschaltung 14, einen Gleichrichter 15,
eine Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 16, eine zweite
Filterschaltung 17, eine Stromquellen-Treiberschaltung 18, einen Haupt-Spannungstransformator 19,
einen Ausgangsgleichrichter 20, eine Stromquellen-Rückkopplungsschaltung 21,
eine Notstromversorgungsschaltung 22 und Ausgangsfilterschaltungen 23, 24, 25.
Die Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 16 besteht aus zwei
Dioden D4, D5, die in Reihe geschaltet sind, sowie einem Kondensator
C8. Die Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 16 benötigt eine
Spannungsversorgung, um für
den Kondensator C8 eine Nennspannung bereitzustellen, um die Filterkondensatoren
C5, C6 voraufzuladen und um einen Ausgleichs- bzw. Abgleicheffekt
zu erzielen; deshalb überbrückt die
Notstromversorgungsschaltung 22 zusätzlich zu ihrer Funktion, dass
diese als Notstromquelle dient und einen Steuer-IC 211 mit
Strom versorgt, eine Schleife von der Kathode ihrer Diode D6, um
die Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 16 mit Energie
zu versorgen, so dass die Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 16 den
Kondensator C8 aufladen kann, wodurch das Ziel eines Ausgleichs
bzw. Abgleichs des Leistungsfaktors erzielt wird und der Ausgangs-Leistungsfaktor
verbessert wird. Die Leistungsfaktor-Ausgangsschaltung 16 kann
jedoch über
die Versorgungsspannung, die von der Notstromversorgungsschaltung 22 zu
der Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 16 durch Überbrückung bereit
gestellt wird, nur eine unveränderliche
Nennspannung bereitstellen; außerdem
wird der Steuer-IC 211 der Stromquellen-Rückkopplungsschaltung 21,
der für
gewöhnlich eine
spezifizierte Spannung erfordert, die nicht beliebig geändert werden
kann, wegen der Überbrückung der
Notstromversorgungsschaltung 22 gestört; somit kann bei der Stromquellen-Rückkopplungsschaltung 21 eine
Fehlfunktion auftreten und kann das Ausgangssignal der Stromversorgung
instabil werden.
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Daraus
kann man schließen,
dass die passive Stromfilterschaltung die Nachteile einer Geräuschentwicklung,
von Schwingungen bei der Arbeitsfrequenz und eines niedrigen Wirkungsgrads
bei der Energiewandlung, insbesondere Spannungswandlung, hat und
dass die mit einer herkömmlichen
Ausgleichsschaltung versehene passive Stromfilterschaltung das Problem
hat, dass der abgegebene Strom bzw. die abgegebene Spannung instabil
ist. Deshalb besteht dennoch Raum, um die passive Stromfilterschaltung
zu verbessern, trotz ihres umfangreichen Einsatzes.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte
passive Stromfilterschaltung bereitzustellen, bei der die Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung
ihre Versorgungsspannung nicht durch Überbrücken der Notstromversorgungsschaltung
erhält,
sondern bei der die Spannungsversorgungsschaltung ausgelegt ist,
um für
die Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung
eine Spannung entsprechend den Anforderungen an die Spannung der
Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung bereitzustellen, um das Problem
einer instabilen Strom- bzw. Spannungsabgabe
zu beheben, die daher resultiert, dass die Nennspannung durch Überbrücken der
Notstromversorgungsschaltung erzielt wird.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer mehrstufigen Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung, die mit
der im Zusammenhang mit der zu lösenden
Hauptaufgabe genannten Spannungsversorgungsschaltung zusammen wirkt,
um den Leistungsfaktor einer Stromversorgung zu verbessern, so dass
diese elektrische Normen erfüllt
und mit ihr Herstellungskosten eingespart werden können.
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Um
die vorgenannten Aufgaben zu lösen,
ist erfindungsgemäß eine Spulenwicklung
N2 vorgesehen, die mit einer Diode D3 und einem Kondensator C7 zusammenwirkt,
um eine Spannungsversorgungsschaltung 27 mit einem Leistungsfaktorausgleich
auszubilden, wie in der 3 gezeigt. Die Spannungsversorgungsschaltung 27 mit
Leistungsfaktorausgleich kann für
die Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 16 eine Nenn-Ausgleichsspannung bereitstellen,
und zwar in Entsprechung zu dem Typ der Ausgleichsschaltung, um
das Problem einer instabilen Strom- bzw. Spannungsausgabe zu beheben,
das daher resultiert, dass herkömmlich
die Nennspannung durch Überbrücken der
Notstromversorgungsschaltung 22 erhalten wird.
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Außerdem wirkt
die Spannungsversorgungsschaltung 27 mit Leistungsfaktorausgleich
mit einer mehrstufigen Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 26 zusammen,
so dass die passive Stromfilterschaltung die Filterkondensatoren
C5, C6 während
unterschiedlicher Phasen voraufladen kann, so dass das Voreilen
oder Nacheilen der Stromphase zeitlich versetzt werden kann, wobei
dieses Problem durch die herkömmliche
passive Stromfilterschaltung nicht gelöst werden kann.
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Figurenübersicht
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1 ist
ein Schaltschema, das den Aufbau einer herkömmlichen Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung
zeigt.
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2 ist
eine Kurve, welche die Spannungs-/Strom-Signalformen einer herkömmlichen passiven
Stromfilterschaltung zeigt.
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3 ist
ein Schaltschema, das den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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4 ist
ein Schaltschema, das den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5 ist
eine Kurve, welche die Spannungs-/Strom-Signalformen gemäß der vorliegenden Erfindung
nach einer Leistungsfaktor-Regelung zeigt.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Die 3 zeigt
den Aufbau gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die verbesserte passive Stromfilterschaltung gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst hauptsächlich: die Überlastschutzschaltung 11,
die Spitzenstrom-Begrenzungsschaltung 12, die erste Filterschaltung 13,
die Leistungsfaktor-Regelschaltung 14, den Gleichrichter 15,
die Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 16, die zweite
Filterschaltung 17, die Stromquellen-Treiberschaltung 18, den Hauptspannungstransformator 19,
den Ausgangsgleichrichter 20, die Stromquellen-Rückkopplungsschaltung 21,
die Notstromversorgungsschaltung 22, die Ausgangsfilterschaltungen 23, 24, 25 und
eine Spannungsversorgungsschaltung 27 mit einem Leistungsfaktorausgleich. Die
Leistungsfaktor-Regelschaltung 14 ist eine Spulenwicklung und
dafür zuständig, um
für den
Effekt einer harmonischen Schwingung für die beiden Filterkondensatoren
C5, C6 der zweiten Filterschaltung 17 zu sorgen, um die
Stromphase zeitlich vorzuschieben. Die Spannungsversorgungsschaltung 27 mit
einem Leistungsfaktorausgleich besteht aus einer Spulenwicklung
N2, die leitend mit der Primärseite
des Hauptspannungstransformators 19, zwei Dioden D3, D5
und einem Kondensator C7 verbunden ist, die leitend mit der Spulenwicklung
N2 verbunden sind. Die Spannungsversorgungsschaltung 27 mit
Leistungsfaktorausgleich stellt der Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 16 eine
Nennspannung bereit und die Wicklungsanzahl der Spulenwicklungen
N2 kann in Entsprechung zu der Nennspannung eingestellt werden,
die von der Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 16 benötigt wird,
so dass die von der Spannungsversorgungsschaltung 27 mit
Leistungsfaktorausgleich abgegebene Spannung die Anforderungen der
Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 16 erfüllen kann.
Dabei wird die Spannungsversorgungsschaltung 27 mit Leistungsfaktorausgleich
nicht von der Notstromversorgungsschaltung 22 überbrückt sondern
durch eine unabhängige
Schleife; deshalb wird weder die Fehlfunktion der Stromquellen-Rückkopplungsschaltung 21,
die von dem Überbrücken der Notstromversorgungsschaltung 22 und
der Störung des
Steuer-ICs 211 herrührt,
noch die instabile Spannungsausgabe auftreten.
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Die 4 zeigt
den Aufbau gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die verbesserte passive Stromfilterschaltung gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst im Wesentlichen: die Überlastschutzschaltung 11,
die Spitzenstrom-Begrenzungsschaltung 12, die erste Filterschaltung 13, die
Leistungsfaktor-Regelschaltung 14, den Gleichrichter 15,
eine mehrstufige Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 26,
die zweite Filterschaltung 17, die Stromquellen-Treiberschaltung 18,
den Hauptspannungstransformator 19, den Ausgangsgleichrichter 20,
die Stromquellen-Rückkopplungsschaltung 21,
die Notstromversorgungsschaltung 22, die Ausgangsfilterschaltungen 23, 24, 25 und
die Spannungsversorgungsschaltung 27 mit einem Leistungsfaktorausgleich.
Die Spannungsversorgungsschaltung 27 mit Leistungsfaktorausgleich
stellt für
die mehrstufige Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 26 eine
Nenn-Ausgleichsspannung bereit. Die mehrstufige Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 26 ist
leitend mit dem Gleichrichter 15 verbunden, der Wechselstrom-Eingangsanschlüsse und
Gleichstrom-Ausgangsanschlüsse
aufweist, und lädt
die Filterkondensatoren C5, C6 zu unterschiedlichen Phasen im Voraus
auf. Die mehrstufige Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 26 umfasst
mehrere Unterausgleichsschleifen, die parallel zueinander geschaltet
sind, wobei die Unterausgleichsschleifen aus einer Diode D4, D5,
D6, D7, einem Kondensator C8, C9, C10, C11 und einer Zenerdiode
Z01, Z02 und Z03 bestehen.
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Wie
in der 4 gezeigt, stellt die Spannungsversorgungsschaltung 27 mit
Leistungsfaktorausgleich eine Versorgungsspannung VCC bereit, um
die Kondensatoren C8, C9, C10, C11 über die Diode D5 während der
oberen Halbwelle aufzuladen; der Kondensator C8 wird auf die volle
Spannung VCC aufgeladen; der mit der Zenerdiode Z01 verbundene Kondensator
C9 wird auf 3/4 der Spannung VCC aufgeladen; der mit der Zenerdiode
Z02 verbundene Kondensator C10 wird auf 2/4 der Spannung VCC aufgeladen;
der mit der Zenerdiode Z03 verbundene Kondensator C11 auf 1/4 der
Spannung VCC aufgeladen, wobei die Spannungsversorgungsschaltung 27 mit
Leistungsfaktorausgleich, die Kondensatoren C8, C9, C10, C11 und
die Zenerdioden Z01, Z02, Z03 in Entsprechung zu den Werten der
Ausgleichsspannungen bzw. Abgleichspannungen eingestellt bzw. gewählt werden
können.
Es wird nun Bezug genommen auf die 5. Wenn
das Spannungssignal A plus die Spannung des voraufgeladenen Kondensators
C8 größer ist
als die Spannung der Filterkondensatoren C5, C6, lädt der Kondensator
C8 die Filterkondensatoren C5, C6 über die Diode D5 im Voraus
auf, wie in dem Stromsignal 33 der verlängerten Anschaltperiode gezeigt.
(Weil der Kondensator C8 auf die volle Spannung VCC aufgeladen wird,
wird dieser zunächst
entladen.) Dann, wenn das Spannungssignal A erneut um 3/4 der Spannung VCC
der Spannung des voraufgeladenen Kondensators C9 ansteigt und diese
größer ist
als die Spannung der Filterkondensatoren C5, C6, lädt der Kondensator
C9 die Filterkondensatoren C5, C6 über die Diode D6 im Voraus
auf, wie für
das Stromsignal 32 der vorgeschobenen Anschalt-Periode
gezeigt. Dann, wenn das Spannungssignal A erneut ansteigt, lädt der Kondensator
C10 die Filterkondensatoren C5, C6 im Voraus auf, wie in dem Stromsignal 31 der verlängerten
Anschalt-Periode gezeigt, und falls dies erforderlich ist, kann
die Anzahl der Phasen weiter vergrößert werden. Wenn das Spannungssignal
A selbst schließlich
die Anschlussspannung der Filterkondensatoren C5, C6 erreicht, tritt
der Hauptschleifenstrom 30 in Erscheinung und beginnt damit,
die Filterkondensatoren C5, C6 über
die Leistungsfaktor-Regelschaltung 14 und
den Gleichrichter 15 aufzuladen. Deshalb kann die passive
Stromfilterschaltung gemäß der für die vorliegende
Erfindung offenbarten Technologie sequentiell abgeglichen werden und
somit werden die Ziele erfüllt,
dass elektrische Normen erfüllt
sind und Herstellungskosten verringert werden können.
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Die
vorliegende Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen
beschrieben. Diese sollen jedoch nicht den Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung beschränken,
vielmehr sollen sämtliche
Modifikationen und Variationen von dem Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung mit umfasst sein, wie dieser in den beigefügten Schutzansprüchen festgelegt
ist, solange diese nicht von dem allgemeinen Lösungsgedanken der vorliegenden
Erfindung abweichen.
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Zusammenfassend
offenbart die vorliegende Erfindung eine verbesserte passive Stromfilterschaltung,
bei der für
die Leistungsfaktor-Ausgleichsschaltung 16 eine Nenn-Ausgleichsspannung
bereit gestellt wird, um das Problem einer instabilen Strom- bzw.
Spannungsausgabe zu beheben, das daher resultiert, dass herkömmlich die
Nennspannung durch Überbrücken der
Notstromversorgungsschaltung 22 erhalten wird. Außerdem wir
erfindungsgemäß eine Schaltung
dazu verwendet, um zwei Filterkondensatoren C5, C6, voraufzuladen,
die mit den Gleichstrom-Ausgangsanschlüssen eines Gleichrichters 15 verbunden
sind, um das Voreilen oder Nacheilen der Stromphase zeitlich zu
versetzen, welches Problem herkömmliche
passive Stromfilterschaltungen nicht beheben können, so dass auf diese Weise
der Leistungsfaktor verbessert werden kann.