DE2034148A1 - Netzgerat - Google Patents

Description

DR-MDLLER-BORe Dl PL-PHYS. DR.MANITZ DIPL-CHEM. DR. DEUFEL DIPL-ING. FINSTERWALD DIPL-ING. GRÄMKOW

PATENTANWÄLTE

We/th -M 2055

THE MARCONI COMPANY LIMITED Bush House, Aldwych, London W.O. 2., England

Netzgerät

Die Erfindung /betrifft ein Netzgerät und insbesondere sogenannte geschaltete Netzgeräteanordnungen.

Es ist oft erforderlich, geregelte Gleichspannungsenergie aus einer ungeregelten Gleichspannungsenergiequelle wie einer Batterie oder einem Netzgleichrichter zu liefern, und die Verwendung von geschalteten Energieversorgungsanordnungen ist ein üblicher Weg, um dies zu erreichen.

Ein typisches Beispiel einer geschalteten Netζgeräteanordnung, wie sie bisher bekannt sind, ist in schematischer Form in der Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. Nach der Darstellung der Fig.. 1 ist 1 eine nicht geregelte Gleichspannungs-Energiequelle. Die Quelle 1 ist mit einer Schaltungseinrichtung 2 verbunden (welche Halbleiter, Höhren oder Relais in an sich bekannter Weise enthalten kann), welche so arbeitet,

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BAD ORIGINAL

daß ein Rechteckausgangssignal erzeugt wird. Die Schaltungseinrichtung 2 ist so geschaltet, daß das von ihr erzeugte Hechteck-Ausgangssignal an die Primärwicklung eines Transformators J gelegt ist, welcher eine Sekundärwicklung mit Mehrfachabgriff aufweist. Jeder Abschnitt der Sekundärwicklung des Transformators 3 ist mit einem verschiedenen Gleichrichter im Block 4 verbunden, und jeder Gleichrichter ist über eine andere Ausgangsleitung 5 mit einem anderen Tiefpaßfilter im Block 6 verbunden. Jedes Tiefpaßfilter ist mit einer anderen von Ausgangsleitungen 7 verbunden, auf denen die transformierte, gleichgerichtete und gefilterte Gleichspannung zur Verwendung anliegt« Die Regelung wird durch Veränderung der Impulsbreite der Rechteckwellen-Ausgangsimpulse von der Schaltungsanordnung 2 erreicht.

Das oben beschriebene bekannte Netzgerät leidet unter der Schwierigkeit, daß die an die Primärwicklung des Transformators gelegte Rechteck-Wellenform große Spannungsschwankungen verursacht, welche am Transformator auftreten und-zwar aufgrund von Streukomponenten wie Transformator-Leckreaktanz und Eigenkapazität der Transformatorwicklungen. Je höher die Schaltfrequenz im Block 2 ist, welche andererseits im Hinblick darauf erwünscht ist, daß das Gewicht und die Größe des Netzgerätes reduziert werden, um so größer sind die Spannungsschwankungen, welche am Transformator 3 auftreten. Diese SpannungsSchwankungen vergrößern nicht nur die Transformator-Kernverluste und rufen nicht nur knappe Auslegungsspezifikationen für den Transformator, die Gleichrichter und die Filter hervor, sondern können auch zur Beschädigung der Gleichrichter führen und ebenfalls, wenn solche verwendet werden, zur Beschädigung der Schalttransistoren im Block 2»

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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, verbesserte geschaltete Netzgeräte-Anordnungen zu schaffen, in welchen die oben genannte Schwierigkeit reduziert ist.

Gemäß der Erfindung "umfaßt eine geschaltete Netzgeräte-Anordnung zur Lieferung geregelter Gleichspannungsenergie aus einer ungeregelten Gleichspannungsquelle mit einer Schalteinrichtung, welche so ausgelegt ist, daß sie mit der ungeregelten Quelle verbunden ist und so geschaltet ist, daß sie von dieser ein geschaltetes Ausgangssignal an den Eingangskreis des Transformators liefert, in dem Pfad zwischen der Schalteinrichtung und dem Eingangskreis des !Transformators einen in Reihe geschalteten Serienresonanzkreis und einen als Shunt geschalteten Parallelresonanzkreis , wobei die Resonanzkreise so dimensioniert sind, daß sie bei der Schaltfrequenz der Sehalteinrichtung in Resonanz sind.

■S Im Idealfall sollte die Resonanzspitze in den Resonanzkreisen mit der Schaltfrequenz zusammenfallen.

Vorzugsweise ist der in Reihe geschaltete Serienresonanzkreis durch einen Widerstand geshuntet, dessen Widerstandswert im wesentlichen gleich dem entsprechenden Belastungswiderstand ist, welcher parallel zum Eingangskreis des Transformators liegt.

Außerdem ist vorzugsweise der Q-Wert, bzw. die Güte des Serienresonanzkreises in Verbindung mit dem Widerstand gleich dem Q-Wert, bzw. der Güte des Parallelresonanzkreise in Verbindung mit dem Widerstand.

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Der oben genannte Q-Wert sollte nicht zu hoch sein, andernfalls werden dieF.lukbuationsströme und -spannungen in den Resonanzkreisen unnötig groß, sollte jedoch größer als 2 sein, um eine zufriedenstellende Selektivität zu erreichen. Der Q-Wert ist vorzugsweise gleich 3·

Normalerweise umfaßt die geschaltete Netzgeräteanordnung eine Gleichrichtereinrichtung, welche so geschaltet ist,

* daß das transformierte Aus gangs signal vom [Transformator gleichgerichtet wird und eine Tiefpaßfiltereinrichtung, welche dazu vorgesehen ist, das Ausgangssignal von der G-leichrichtereinrichtung zu filtern» Vorzugsweise umfaßt die Tiefpaßfiltereinrichtung eine in Reihe geschaltete Drosselspule, welche durch einen Widerstand geshuntet ist und einen als Shunt geschalteten Kondensator, wobei der zuletzt erwähnte Widerstand einen im wesentlichen gleichen Wert wie der entsprechende Widerstand der Last aufweist, welche durch die Hetzgeräteänordnung versorgt werden soll, wobei die Impedanz der Drosselspule groß ±s4 und die Impedanz des zuletzt erwähnten Kondensators im Vergleich zu dem Wert des zuletzt erwähnten Widerstandes klein ist und zwar bei der Schaltfrequenz im Falle der Halbweggleichrichtung oder bei der doppelten Schaltfrequenz im Falle der Vollweggleichrichtung.

Um im Falle der Halbweggleichrichtung bei der Schaltfrequenz oder im Falle der Vollweggleichrichtung bei der doppelten Schaltfrequenz, welche der von dem Tiefpaßfilter an eine Last gelieferten Gleichspannung überlagert sein kann,

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irgendwelche Welligkeitsspannungen zu vermindern, kann dem zuletzt erwähnten Kondensator eine weitere in Reihe geschaltete Drosselspule nachgeschaltet sein, welcher ein weiterer als Shunt geschalteter Kondensator folgt, wobei die Impedanz der weiteren in Reihe geschalteten Drosselspule groß i©4 und die Impedanz des weiteren als Shunt geschalteten Kondensators im Vergleich zur Größe des zuletzt erwähnten Widerstandes bei der Schaltfrequenz im Falle der Halbweggleiehrichtung und bei der doppelten Schaltfrequenz im Falle der Vollweggleichrichtung klein ist.

Wenn, wie es normalerweise der Fall ist, eine Vielzahl von Lasten über einzelne Gleichrichtereinrichtungen versorgt werden sollen, welche so geschaltet sind, daß das transformierte Ausgangssignal von verschiedenen Ausgangsabschnitten der Transformatoreinrichtung gleichgerichtet wird, sind eine Vielzahl von oben beschriebenen Tiefpaßfiltern vorgesehan und zwar ein Filter für jede Last.

Vorzugsweise sind eine oder mehrere der einzelnen Komponenten der Resonanzkreise einstellbar vorgesehen.

Ein Beispiel einer Schalt-Netzversorgungs-Anordnung gemäß der Erfindung ist nachfolgend in der Fig. 2 der Zeichnung beschrieben. In den Fig. 1 und 2 werden dieselben Bezugszahlen für dieselben Bauteile verwendet.

Nach der Darstellung in der Fig. 2 ist das darin dargestellte geschaltete Netzgerät in soweit dem in der Fig. 1 dargestellten Gerät ähnlich, wie die Verbindung der nicht geregelten

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Gleichspannungsenergiequelle 1 mit der Schaltungseinrichtung 2 betroffen ist. Das geschaltete Ausgangssignal von der Schaltungseinrichtung 2 ist wiederum an die Primärwicklung des Transformators 3 geführt. Zwischen die Schaltungseinrichtung 2 und den Transformator 3 ist jedoch ein Serienresonanzkreis, welcher aus der Induktionsspule 8 in dem Kondensator 9 besteht und ein Parallelresonanzkreis, welcher aus der Induktionsspule 10 und dem Kodensator 11 besteht, geschaltet. Der aus der Induktionsspule 8 und dem Kondensator 9 bestehende Serienresonanzkreis ist durch einen Widerstand 12 geshuntet.

Der Serienresonanzkreis 8, 9 und der Parallelresonanzkreis 10, 11 sind so dimensioniert, daß sie bei der Schaltfrequenz der Schaltungseinrichtung 2 in Resonanz gelangen. Der Widerstand 12 ist so dimensioniert, daß er gleich "dem entsprechenden Belastungswiderstand an der Primärwicklung des Transformators 3 ist. Außerdem ist der Q-Wert des Serienresonanzkreises 8, 9 mit dem Widerstand 12 so dimensioniert, daß er gleich dem Q-Wert des Parallelresonanzkreises 10, 11 mit fc dem Widerstand 12 ist.

Mit anderen Worten;

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wobei W die Grundschaltfrequenz in Radiant pro Sekunde ist.

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— Γ? —

Der Wert' von Q ist zu Q = 5 gewählt.

Nach der bekannten Transformatortheorie sollte die Primärinduktanz des Transformators im Vergleich zur Induktanz der Induktionsspule 10 groß sein, während die Primär-Leckinduktanz im Vergleich zur Induktanz der Induktionsspule 10 klein sein sollte. Fach der bisherigen Beschreibung ist die Spannung an der Primärwicklung des Transformators im Betrieb sinusförmig und behält diese Form bei, wenn die Impulsbreite der Schaltwellenform für Hegelzwecke verändert■ wird. Im Hinblick auf den Energieverbrauch im Widerstand 12 ist der theoretische Wirkungsgrad leicht reduziert, über einen großen Impulsbreitenbereich dürfte der Wirkungsgrad jedoch besser sein.als 80 % und bei optimalem Wert der Impulsbreite ein Maximum von 91 % erreichen.

Die Vielfaeh-Ausgangsleitungen der Sekundärwicklung sind wMerum mit den Gleichrichtern im Block 4 verbunden und wieder ist jeder Gleichrichter im Block 4 mit einem verschiedenen Tiefpaßfilter verbunden, welches eine herkömmliche Form aufweisen kann, welches jedoch vorzugsweise so aufgebaut ist, wie es in dem Kettenbloek 13 dargestellt ist. Die Kettenblöcke 14 und 15 enthalten ebenfalls Tiefpaßfilteranordnungen, welche derjenigen im Kettenbloek 13 ähnlich sind. Die Tiefpaßfilter in den Blöcken 13, 14 und 15 bestehen aus einer Seriendrossel bzw. Längsdrossel 16, welche durch einen Widerstand 17 geshuntet ist und einem als Shunt geschalteten Kondensator 18.

Die Größe des Widerstandes 17 ist so gewählt, daß er gleich dem entsprechenden Widerstand der Last ist (durch den Block 19

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dargestellt). Die Impedanz der Drossel 16 ist so gewählt, daß sie groß und die Impedanz des Kondensators 18 im Vergleich, zur Größe des Widerstandes 17 "bei der Frequenz W im Falle der Halbweggleichrichtung oder bei- der Frequenz 2 W im Fa He der Vollweggleichrichtung/ist. Wenn nach der Gleichrichtung ein herkömmliches Drosseleingangsfilter mit großer Induktanz verwendet wird, ist die Transformatorstrom-Wellenform noch rechteckförmig, obwohl die Spannungs-Wellenform sinusförmig ist.

Bei Verwendung der bevorzugten Tiefpaßfilter-Anordnung sind sowohl die Spannung als auch der Strom sinusförmig, wobei weiterhin die Tendenz besteht, irgendwelche Spannungs- oder Strom-Flulfcuationen aufgrund von Streuschaltungskomponenten zu reduzieren. Irgendwelche kleinennoch verbleibenden Transformatorstromfl^uationen können durch kleinere Justierungen der Komponenten in den Resonanzkreisen 8, 9 und 10, weiter reduziert werden. Der theoretische maximale Wirkungsgrad wird weiter reduziert (in einem praktischen Fall auf 74- °/o), es kann jedoch über einen weiten Bereich der Schaltimpulsbreiten-Veränderung ein zufriedenstellender Gesamtwirkungsgrad (von mehr als 64- % in einem praktischen Fall) erreicht werden. Um bei der Schaltfrequenz (W ) im Falle der Halbweggleichrichtung oder bei der doppelten Schaltfrequenz (2 W) im Falle der Vollweggleichrichtung irgendwelche Welligkeitsspannung zu reduzieren, welche der von der Tiefpaßfilteranordnung an die Last gelieferten Gleichspannung überlagert sein kann, können zwischen dem Kondensator 18 und der Last 19 eine weitere in Serie geschaltete Drosselspule (nicht dargestellt) und ein weiterer als Shunt

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— Q —

geschalteter Kondensator (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Die Impedanz der weiteren in Reihe geschalteten Drosselspule und die Impedanz des weiteren als Shunt geschalteten Kondensators sind so gewählt, daß im Vergleich zur Größe des Widerstandes 16 bei der Schaltfrequenz im lalle der Halbweggleichrichtung oder bei der doppelten Schaltfrequenz im Falle der Vollweggleichrichtung die Impedanz der Drosselspule groß und die Impedanz des Kondensators klein sind.

--Pat entanaprüohe- 109821/12U

Claims (10)

1. 2034U8

   - ίο -

   Patentansprüche

   aasassaasaaasssassaassasa::::

   Geschaltete Fetzgeräteanordnung zur Lieferung von geregelter Gleichspannungsenergie von einer nicht geregelten Gleichspannungsquelle mit·einer Schalteinrichtung, welche so ausgelegt ist, daß sie mit der nicht geregelten Quelle verbunden ist und so geschaltet ist, daß ihr geschaltetes Ausgangssignal an den Eingangskreis der Transformatoreinrichtung geführt ist, dadurch gekennz eichnet, daß in dem Pfad zwischen der Schalteinrichtung und dem Eingangskreis des Transformators ein in Reihe geschalteter Serienresonanzkreis und ein als Shunt geschalteter Parallelresonanzkreis vorhanden sind, wobei die Resonanzkreise so dimensioniert sind, daß sie bei der Schaltfrequenz der Schalteinrichtung in Resonanz sind.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in Reihe geschaltete Serienresonanzkreis durch einen Widerstand geshuntet ist, dessen Größe im ι wesentlichen gleich dem entsprechenden Lastwiderstand am Eingangskreis des Transformators ist. .
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Q-Wert des Serienresonanzkreises in Verbindung mit dem Widerstand gleich dem Q-Wert des Parallelresonanzkreises in Verbindung mit dem entsprechenden Widerstand ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennz eichnet, daß der Q-Wert gleich 3 ist.

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5. 5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,mit einer Gleichrichtereinrichtung, welche so geschaltet ist, daß das transformierte Ausgangssignal von der Transformatoreinrichtung gleichgerichtet wird und mit einer Tiefpaßfiltereinrichtung, um das Ausgangssignal von der Gleichrichtereinrichtung zu filtern, dadurch g e k e η η ζ ei chn e t, daß die Tiefpaßfiltereinrichtung eine in Reihe geschaltete Drosselspule aufweist, welche durch einen Widerstand geshuntet ist und einen als Shunt geschalteten Kondensator besitzt, wobei die Größe des zuletzt ^v erwähnten Widerstandes im wesentlichen gleich dem entsprechenden Widerstand einer Last ist, welche durch die Hetzgeräteanordnung versorgt werden soll, wobei die Impedanz der Drosselspule groß und die Impedanz des zuletzt erwähnten Kondensators klein ist im Vergleich zu dem Wert des zuletzt genannten Widerstandes und zwar bei der Schaltfrequenz im Falle der Halbweggleichrichtung oder bei der doppelten Schaltfrequenz im "Falle der Vollweggleichrichtung.
6. 6. Anordnung nach Anspruch A, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß dem zuletzt erwähnten Kondensator eine weitere in Reihe geschaltete Drossel nachgeschaltet ist, welcher ein weiterer als Shunt geschalteter Kondensator folgt, wobei die Impedanz der weiteren in Reihe geschalteten Drossel groß und die Impedanz des weiteren als Shunt geschalteten Kondensators klein ist im Vergleich zu der Größe des zuletzt erwähnten Widerstandes und zwar bei der Schaltfrequenz im Falle der Halbweggleichrichtung und bei der doppelten Schaltfrequenz im Falle der Vollweggleichrichtung.

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7. 7. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Lasten über einzelne Gleichrichtereinrichtungen versorgt werden sollen, welche so geschaltet sind, daß das transformierte Ausgangssignal von verschiedenen Ausgangsabschnitten der Transformatoreinrichtung gleichgerichtet wird und wobei eine Vielzahl von oben beschriebenen Tiefpaßfiltern vorgesehen ist

   und zwar ein Filter für jede Last.
8. 8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der ~. einzelnen Komponenten der Resonanzkreise einstellbar vorgesehen sind.
9. 109821V17U
10. ORfGIlMAL INSPECTED'