DE2248938A1 - Gleichrichter-schaltungsanordnung - Google Patents
Gleichrichter-schaltungsanordnungInfo
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Description
Hewlett-Packard Comp,
Palo Alto
California 94304 -....
P 22 23 793.0 Tr.A.I ·''./// ·'
Case 648 , .
Case 648 , .
8. Sept. 1972
GLEICHRICHTERSCHALTUNGSANORDNUNG
Die Erfindung betrifft eine Gleichrichter-Schaltungsanordnung
mit einer Gleichrichterbrücke zur Abgabe einer mit einer Brummspannung behafteten Gleichspannung.
Es ist bekanntlich schwierig, in einem^Netzgerät Wechselstrom
mit gutem Wirkungsgrad in Gleichstrom umzuformen, wenn die sinusförmige Eingangsspannung eine niedrige
Frequenz von beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz hat. Es werden größere Filterdrosseln erforderlich, um die Spitzenströme
zu begrenzen, und man braucht große Filterkondensatoren, um die Ausgangsspannung während der Kommutierungsintervalle
der Eingangswelle aufrechtzuerhalten.
Die Größe und das Gewicht der Netzgeräte, können wesentlich
herabgesetzt werden, wenn die Primärwicklung mehrphasig ausgeführt ist, so daß die Eingangsspannung am
Filter nicht auf Null abfällt; indessen sind mehrphasige Netzgeräte jedoch kostspielig.
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2 2 A δ 3 3
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichrichter-Schaltungsanordnung
zu schaffen, deren Induktionsspule einen Induktionswert hat, der unter dem kritischen
Wert liegt, bei welchem der Strom in den Kommutierungsintervallen leckt, ohne die Ausgangsbrummspannung zu erhöhen,
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Gleichrichterschaltungsanordnung
dadurch gelöst, daß ein Paar steuerbarer Schaltelemente in je einem Zweig der Gleichrichterbrücke
vorgesehen ist, welche während eines Bruchteiles jeder Halbperiode des Wechselspannungseingangssignales
leitend sind, eine Reihenschaltung mit einer unter ihrem kritischen Wert dimensionierten Induktionsspule
und wenigstens einem Kondensator an den Ausgang der Gleichrichterbrücke angeschlossen ist, eine Summierschaltung
mit der Induktionsspule verbunden ist und die Brummspannung am Kondensator und einen Anteil der Brummspannung
an der Induktionsspule summiert und ein Gleichspannungssignal mit einer zusammengesetzten Brummspannung
höherer Frequenz und niedrigerer Amplitude von Spitze zu Spitze als die Brummspannung am Kondensator abgibt
und ein Filter mit der Summiereinrichtung verbunden ist, welches zur Filterung der zusammengesetzten Brummspannung
dimensioniert ist. Die Frequenz der Brummspannung wird
verdoppelt, ohne die von Spitze zu Spitze gemessene Amplitude zu erhöhen, und es kann ein kleineres Filter
angeschlossen werden, um die Amplitude der Brummspannung
herabzusetzen,
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die
Summierschaltung eine Anzapfung an der Induktionsspule auf.
Da die. Kondensatoren der Gleichrichter-Schaltungsanordnung bei höherer Spannung mehr Energie speichern können und
der Wirkungsgrad der Wechselstrom/Gleichstromumformung bei höheren Spannungen zunimmt, v/ird gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform die erfindungsgemäße Gleichrichter-Schaltungsanordnung
dadurch ausgestaltet, daß zwischen den Eingangsklemmen zwei getrennte, in den.entgegengesetzten
Richtungen leitfähige.Stromkreise angeschlossen
sind, die jeweils eine Reihenschaltung aus einem entgegengesetzt gepolten Gleichrichter, einer .Induktionsspule und
einem Kondensator aufweisen, die Induktionsspulen derart gewickelt und wechselseitig magnetisch gekoppelt sind,
daß sie sich in der Richtung des Stromes in den ersten und zweiten Stromkreisen unterstützen und die einen Enden
der Kondensatoren gemeinsam mit der einen Eingangsklemme verbunden sind, während an den anderen Enden der Kondensatoren
die doppelte Spannung abgenommen werden kann.
Anhand der Zeichnung wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel erläutert, welches eine erfindungsgemäße Brückenschaltung
darstellt, welche durch Schaltungen zur Verdopplung der Brummspannungsfrequenz und der Ausgangsspannung
ausgestaltet ist.
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An Netzspannungsklemmen für 115 V bei einer Frequenz von 50 Hz bzw.230 V bei einer Frequenz von 60 Hz ist
über Sicherungen Fl und F2, ein Filter 31, ein Relais-Doppelschalter
32, vor und hinter diesem Schalter angeordnete Kondensatoren C2 und Cl und über Eingangsleitungen
33 und 34 eine Gleichrichterbrücke angeschlossen.
Das Filter 31 schützt das Netz gegenüber Spannungen hoher Frequenz, die von der Brückenschaltung in das Netz
zurückgespeist werden und verhindert eine Unterbrechung der Stromversorgung. Die Kondensatoren Cl, C2 und ein
Kondensator C2f sind vorgesehen, um in der Brückenschaltung
Stromspitzen aufzunehmen, die beim Schalten der Thyristoren auftreten.
Die Brückenschaltung enthält zwei Thyristoren Dl und D2 in den beiden Armen; die mit der einen Eingangsleitung
33 verbunden sind, sowie zwei Dioden D3 und D4 in den beiden anderen Armen, die mit der anderen Eingangsleitung
verbunden sind. Ausgangsklemmen 35 und 36 der Brückenschaltung sind über eine erste Induktionsspule Ll, zwei
seriell verbundene Kondensatoren C3 und C4 und eine zweite Induktionsspule L2 verbunden, wobei die Wicklungen
der beiden Induktionsspulen auf dem gleichen Kern aufgewickelt sind, so daß sie wechselseitig gekoppelt und in
der Schleife 35, Ll, C3, C4, L2 und 36 wirksam sind.
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- 2 2 A β 9 3
Es ist eine Verbindungsleitung 37 vorgesehen, damit
die Brückenklemme für die untere Eingangsspannung mit der Verbindung der beiden Kondensatoren C3 und C4 zum
Betrieb mit 115 V angeschlossen werden kann. Für den Betrieb bei 230 V wird die Verbindungsleitung 37 unterbrochen.
Der Betrieb dieser Brückenschaltung spielt sich ohne die Verbindungsleitung 37, also für den Betrieb mit 230 V
folgendermaßen ab:
Während der positiven Halbwelle wird der Thyristor D2 durch einen Impuls an der Zündelektrode 38 über den
Zündübertrager Tl einer Zündwinkel-Regelschaltung eingeschaltet,und
der Strom fließt durch den Thyristor D2, die Induktionsspule Ll, die Kondensatoren C3 und C4, die
Induktionsspule L2 und die Diode D3 zur anderen Seite der Brückenschaltung. Während der negativen Halbwelle ist
der Thyristor Dl eingeschaltet, und durch die Schleife mit der Diode D4 fließt Strom. Wegen der wechselseitigen
Kopplung der-Induktionsspulen ist die Gesamtinduktivität in der Schleife ungefähr viermal so groß wie die Induktivität
der einzelnen Spulen. Wenn die Gleichrichterbrücke als Steuerschaltung, also ohne Rückkopplung, betrieben
wird, erscheint auf der Leitung 39 eine Doppelwellenspannung mit einem Gleichspannungswert, der 0,636-mal
so groß wie die Spannungsspitze der. Eingangsspannung, d.h.
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ι. f. '■} ■.: -J 0 Ü
ungefähr 206 V bei 230 V Eingangsspannung ist, wenn die Thyristoren beim Beginn jeder Halbperiode eingeschaltet
werden. Der Zündwinkel wird durch den nur teilweise dargestellten Zündwinkel-Regelkreis derart eingestellt, daß
der Ausgang auf einer Gleichspannung von 160 V gehalten wird. Für den Betrieb mit 115 V Eingangsspannung wird
durch diese Brückenschaltung ein Spannungsverdoppler gebildet. Die Verbindungsleitung 37 wird geschlossen und
während der positiven Halbwelle des Eingangssignales wird die Stromschleife durch den Thyristor D2, die Induktionsspule
Ll, den Kondensator C3 zu der Klemme 34 für die niedrige Spannung über die Verbindungsleitung 37 der Brücke
geschlossen. Für die negative Halbwelle wird der Schaltkreis von der Leitung 34 über den Kondensator C4, die
Induktionsspule L2 und den Thyristor Dl zu der oberen Leitung 33 geschlossen. Während derjenigen Zeit, in welcher
der Strom durch den Kondensator C3 fließt, tritt der Spannungsabfall an der Induktionsspule Ll auch an der
Induktionsspule L2 wegen der gegenseitigen Kopplung auf, und diese Spannung sperrt den Thyristor Dl und die Diode
D3, so daß kein Strom an der Induktionsspule L2 während der positiven Halbwelle fließen kann. Während der negativen
Halbwelle leitet der Thyristor Dl den Strom durch die Induktionsspule L2 und lädt den Kondensator C4 auf,
und der Spannungsabfall an der Induktionsspule L2 tritt an der Induktionsspule Ll auf und sperrt den Thyristor D2
und die Diode D4.
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Die in einer Induktionsspule während einer Halbwelle gespeicherte Energie wird an die andere Wicklung wegen
der Gegeninduktivität während der nächsten Halbwelle übertragen, so daß der Strom in der anderen Induktivität
auf einen Wert steigt, der zweimal so groß ist, wie bei dem Betrieb der Brücke bei 230 V Eingangsspannung. Daher
tritt eine erzwungene Spannungsverdopplung in der Eingangsleitung für 115 V auf und die Ausgangsleitung 39 wird auf
dem geregelten Pegel von 160 V gehalten.
Damit der Strom in der Ausgangsschleife der Brücke niemals während der Kommutierungsintervalle auf Null abfällt,
wenn die Eingangsspannung die Polarität wechselt, müssen die Induktionsspulen Ll und L2 derart bemessen sein, daß
die in jeder Induktionsspule gespeicherte Energie ausreicht, um den Stromfluß während der Halbwelle aufrechtzuerhalten,
wenn dem entsprechenden Kondensator von der Versorgungsleitung kein Strom zugeführt wird.
Für jeden gegebenen Wert des Lastwiderstandes kann ein Wert für die kritische Induktivität angegeben werden, 'um
den kontinuierlichen Stromfluß aufrechtzuerhalten. Wegen der hohen Anforderungen bezüglich der Spannung und des
Stromes erfordern die kritischen Induktionswerte Induktionsspulen Ll, L2 von beträchtlichem Gewicht und Ausmaß.
Wenn eine kleinere und leichtere Induktionsspule ver-'
wendet wird, fallen die Induktionswerte vori^-LP-ÜlVd L2 ' ' -
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unter den kritischen Wert, bei welchem der Strom während der Kommutierungsperioden erlischt, und der
Laststrom wird durch eine Entladung der Kondensatoren C3 und C 4 aufrechterhalten, so daß eine größere Brummspannung
am Ausgang 39 auftritt.
Zur Herabsetzung der Brummspannung ist eine Schaltung vorgesehen, welche sowohl die Frequenz der Brummspannung
verdoppelt als auch gleichzeitig den von Spitze zu Spitze gemessenen Wert der Brummspannung herabsetzt, so daß die
Regelung wesentlich verbessert wird und die herabgesetzte Brummspannung noch die Verwendung der Induktionsspulen
Ll und L2 n.*\ beträchtlich herabgesetztem Gewicht und
Ausmaß gestattet. Diese Schaltung zur Herabsetzung der Brummspannung weist eine Anzapfung 41 in der Induktionsspule
Ll, eine Induktionsspule L3 und Kondensatoren C5 und C6 parallel zu den Ausgangsleitungen auf. Es werden
zwei Kondensatoren anstelle nur eines Kondensators verwendet, um einen höheren Kapazitätswert zu erreichen, wobei die beiden Kondensatoren räumlich einfacher eingefügt
werden können.
Durch die Anzapfung in der Induktionsspule Ll wird ein
kleines Spannungssignal erhalten, welches die Wellenform an der Klemme 35 wiedergibt, und diese Spannung wird
seriell zu der Brummspannung an der Verbindung der Induktivität Ll und des Kondensators C3 hinzuaddiert. Die
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Phase dieser kleinen Spannung ist derart, daß sie so zu der Brummspannung der Leitung hinzugefügt wird, daß sie
sich zu den "Talabschnitten" der Brummspannung mit 120. Hz überlagert. Dadurch ergibt sich eine Wellenform am Ausgang
39 mit einer Frequenz von 240 Hz mit einer von Spitze zu Spitze gemessenen Amplitude, die etwa den halben Wert
wie die Brummspannung an der Verbindung der Induktionsspule Ll und des Kondensators C3 hat. Diese Brummspannung
höherer Frequenz kann leichter durch die Induktionsspule L3 gefiltert werden, die wesentlich kleiner ist als die
Induktionsspule, die anderenfalls erforderlich wäre, wenn die Frequenz der Brummspannung 120 Hz betragen würde. Ein
parallel zur Induktionsspule L3 geschalteter Widerstand Rl dient dazu, das Filter zur Unterdrückung von Resonanzen
zu bedampfen. Daher wird die Wirkung der unerwünschten Brummspannungen auf der Ausgangsleitung durch die Verwendung
einer wesentlich kleineren Induktivitätsanordnung Ll, L2
kompensiert, indem die Frequenz der Brummspannung verdoppelt und die von Spitze zu Spitze gemessene Amplitude
der Ausgangsspannung auf den Leitungen 42, 43 um einen Faktor von etwa 1 : 4 herabgesetzt wird-. Durch diese Technik
ist es möglich, den Induktionswert der Spulen Ll und L2 von etwa 50 mil auf etwa 7'bis 8 mH herabzusetzen, während
die Kondensatoren C3 und C4 mit gleicher Größe beibehalten
werden können. Die Induktionsspulen Ll und L2 sind derart gewählt, daß sie den Wert des in der Primärwicklung fließenden
Spitzenstromes herabsetzen.
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Es ifjt eine Schutzschaltung mit einem Thyristor D5,
einem Widerstand R2, Dioden D6 und D7 und Widerständen
R3 und R4 vorgesehen, um die Stromquelle und die Last zu schützen. Die beiden Dioden D6 und D7 haben solche
Werte, daß die Schwellwertspannung als obere Grenze ungefähr
LOO V beträgt. Sollte die regelmäßig 160 V betragende Spannung auf der Leitung 42 zur Überschreitung des Wertes '
von 180 V Spannungsabfall an den Dioden D6 und D7 neigen,
so wird der Thyristor D5 eingeschaltet. Durch die Wirkung
des Thyristors D5 wird die Spannung auf der Leitung 42 .schnell abgesenkt. Der Widerstand R2 dient dazu, um den
Spitzenstrom in dem Thyristor D5 zu begrenzen. Zusätzlich kann dieser Thyristor über eine Diode D8 und einen Übertrager
T2 mittels einer Schaltung zur Erfassung der Spannung oder des Stromes im Lastkreis gesteuert werden. Zusätzlich
zn der Schutzschaltung kann die Brücke auch abgeschaltet
werden, indem die Abgabe der Zündimpulse für die Zündelektroden der Thyristoren Dl und D2 mittels des Zündimpuls-·
Übertragers Tl von der Vorregelnchaltung unterbrochen wird.
Parallel zu den Kondensatoren C3 und CA liegen Widerstände R5 und R6, um die Kondensatoren in einer vernünftigen
Zeitspanne, beispielsweise einer Minute zu entladen, so daß der Schaltkreis nach der Abschaltung sicher betrieben
v/erden kann.
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ORIGINAL INSPECTED
Dioden D9 und DlO liegen parallel zu den Kondensatoren C3 und C4. Wegen der Toleranzen der Kondensatoren C3 und
C4 kann einer der Kapazitätswerte wesentlich größer als der andere sein. Während daher die Spannung zwischen den
Ausgangsleitungen 42 und 43 abgesenkt wird, entlädt sich der kleinere Kondensator viel schneller als der größere
und im Ergebnis würde an der Verbindungsstelle der Kondensatoren C3 und C4 eine entsprechende Spannung entstehen,
wenn die Potentialdifferenz zwischen den Leitungen 4 2 und 43 erreicht ist. Diese Spannung wird in umgekehrter
Richtung an dem kleinsten Kondensator anliegen und die Dioden D9 und DlO sind vorgesehen, um die bei der Umkehr
der Spannung an den Kondensatoren auftretenden Probleme zu vermeiden.
ORIGINAL INSPECTED
3 0^8 0=7/^fQ
Claims (3)
- 2248933 -A-Hewlett-Packard Comp.
P 22 23 793.0 Tr.A.I
Case 648 Tr.A.I8. Sept. 1972Patentansprüche/1.)Gleichrichterschaltungsanordnung mit einer Gleichrichterbrücke zur Abgabe einer mit einer Brummspannung behafteten Gleichspannung, dadurch gekennzeichnet , daß ein Paar steuerbarer Schaltelemente (Dl, D2) in je einem Zweig der Gleichrichterbrücke vorgesehen ist, welche während eines Bruchteiles jeder Halbperiode des Wechselspannungseingangssignales leitend sind, eine Reihenschaltung mit einer unter ihrem kritischen Welt dimensionierten Induktionsspule (Ll) und wenigstens einem Kondensator an den Ausgang der Gleichrichterbrücke angeschlossen ist, eine Summierschaltung (41) mit der Induktionsspule verbunden ist und die Brummspannung am Kondensator und einen Anteil der Brummspannung an der Induktionsspule summiert und ein Gleichspannungssignal mit einer zusammengesetzten Brummspannung höherer Frequenz und niedrigerer Amplitude von Spitze zu Spitze als die Brummspannung am Kondensator abgibt und ein Filter (L3, C5, C6) mit der Summiereinrichtung verbunden ist, welches zur Filterung dor zusammengesetzten Brummspannung dimensioniert ist.309807/1028 - 2. Gleichrichter-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ' gekennzeichnet , daß die Suinmierschaltung eine Anzapfung (41) an der Induktionsspule aufweist.
- 3. Gleichrichter-Schaltungsanordnung, insbesondexs nach Anspruch 1 oder 2, zur Aufnahme einer Wechselspannung und zur Abgabe einer verdoppelten Spannung, dadurch ge. kennzeich net, daß zwischen den Eingangsklemmen zwei getrennte, in den entgegengesetzten Richtungen leitfähige Stromkreise angeschlossen sind, die jeweils eine Reihenschaltung aus einem entgegengesetzt gepolten Gleichrichter (Dl; D2), einer Induktionsspule (Ll; L2) und einem Kondensator (C3; C4) aufweisen, die Induktionsspulen derart gewickelt und wechselseitigmagnetisch gekoppelt sind, daß sie sich in der'Richtung des Stromes in den ersten und zweiten Stromkreisen unterstützen und die Enden der Kondensatoren gemeinsam mit der einen Eingangsklemme verbunden sind, während an den anderen Enden der Kondensatoren die doppelte Spannung abgenommen werden kann.309807/. 1028AHLeerseite
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