DE2627545A1

DE2627545A1 - Gesteuertes kapazitives filter fuer wirkleistungsverbraucher

Info

Publication number: DE2627545A1
Application number: DE19762627545
Authority: DE
Inventors: Robert Louis Steigerwald
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-06-23
Filing date: 1976-06-19
Publication date: 1977-01-20
Also published as: US3987356A; GB1554287A; JPS524022A; JPS5934070B2

Description

Gesteuertes kapazitives Filter für Wirkleistungsverbraucher

Die Erfindung betrifft ein gesteuertes kapazitives Filter zur Verwendung in Leistungsschaltungen mit Wirkleistungsverbrauchern oder aktiven Verbrauchern, und insbesondere eine wirksame gesteuerte Filterschaltung, bei welcher die Auflade- und Entladeintervalle des Filterkondensators durch Festkörperschalter gesteuert werden.

Der Filterkondensator wird mit ungenügendem Wirkungsgrad in konventionellen Leistungsschaltungen,verwendet, bei denen ein Filterkondensator unmittelbar über die Ausgangsanschlüsse des Vollweg-Gleichrichters geschaltet ist und bei denen ein aktives Bauteil die an dem Filterkondensator auftretende Welligkeitsspannung regelt, um eine konstante Ausgangsgleichspannung zu erzeugen (siehe Figur l). Wie

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noch nachstehend erläutert, speichert der Kondensator eine relativ große Energiemenge, die nie verwendet wird, und liefert auch Energie, wenn dies nicht erforderlich ist, wenn die Kondensatorspannung oberhalb der gewünschten Ausgangsgleichspannung bleibt. Durch Verwendung der hier beschriebenen verbesserten kapazitiven Filterschaltung für eine Phase wird infolge einer wirksameren Steuerung die Größe des für eine bestimmte Anwendung benötigten Filterkondensators verringert. In vielen Anwendungsfällen können infolge des geringeren benötigten Kapazitätswertes Elektrolytkondensatoren beseitigt werden. Dies ist besonders erwünscht im Falle der Anwendungszwecke für lange Lebensdauer und Anwendungen bei extremen Temperaturbereichen, bei denen Elektrolyt-Kondensatoren Probleme bezüglich der Zuverlässigkeit besitzen.

Gemäß der Erfindung wird ein gleichspannungsgesteuertes kapazitives Filter zwischen die Anschlüsse eines Vollweg-Gleichrichters geschaltet und enthält Festkörpereinrichtungen, beispielsweise gittergesteuerte Thyristoren und Dioden, zur Steuerung des Auflade- und Entladeintervalls eines kleineren mit besserem Wirkungsgrad verwendeten Filterkondensators. Bei den meisten Schaltungen mit Wirkleistungsverbraucher oder einem aktiven Verbraucher, beispielsweise bei einem Zerhacker, der eine geregelte einsinnig gerichtete Ausgangsspannung erzeugt, werden die Entladeintervalle so gesteuert, daß sich der Filterkondensator während der Talspannungen der gleichgerichteten Leitungsspannung entlädt, wenn der Momentanwert der Spannung unterhalb der vorgegebenen einsinnig gerichteten Ausgangsspannung liegt und Energie von der Last oder dem Verbraucher benötigt wird.

In einer Gruppe von Ausführungsformen schaltet der oder die gesteuerten Schalter zur Steuerung der Entladung des

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Filterkondensators praktisch den Kondensator in Reihe mit ausgewählten Gleichrichteranschlüssen und dem Verbraucher, um auf diese Weise den Kondensator vollständig zu entladen bei gleichzeitiger Stromentnahme aus dem Netz oder der Kraftleitung. In der bevorzugten Ausführungsform wird ein gittergesteuerter Thyristor (SCR) verwendet, der mit dem positiven Gleichrichter-Ausgangsanschluß verbunden ist. In abgewandelten Formen werden weitere Bauelemente verwendet, die mit den Gleichrichter-Eingangsanschlüssen verbunden sind und den Strom entsprechend der Polarität der Spannung in der Kraftleitung oder im Netz durchlassen. Um die Aufladeintervalle zu steuern, ist ein gittergesteuer— ter Thyristor in Reihe mit dem Filterkondensator in einer Schaltung zwischen den Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters vorgesehen und wird bei einer vorgewählten Verzögerungszeit nach dem vollständigen Entladen des Kondensators stromdurchlässig gemacht. Auf diese Weise wird die Spitzenenergie des Kondensators gespeichert, und die Kraftleitung liefert Energie anstelle einer Entladung des Kondensators, wenn dies nicht benötigt wird. Unter Verwendung eines geeigneten Induktors in Reihe mit dem Kondensator und durch Verzögerung der Zündsteuerung bis in die Nähe des Spitzenwertes der gleichgerichteten Leitungsspannung oder Netzspannung wird der Kondensator in Resonanz auf eine höhere Spannung aufgeladen. Es wird außerdem eine Tandemanordnung des gesteuerten Filters beschrieben. Bei einem einfacheren Aufbau des gesteuerten Filters wird ein größerer Kondensator benötigt, der parallel zum Verbraucher und zu den Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters während der Entladung bleibt, und das gesteuerte Filter enthält eine Diode zur Steuerung der Aufladung und einen invers-parallelen gittergesteuerten Thyristor zur Steuerung der Entladung, wobei beide Teile in Reihe mit dem Filterkondensator zwischen den Ausgangsanschlussen des Gleichrichters liegen. Bei den

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verschiedenen Ausführungsformen werden geeignete Meßfühler und Zündschaltungen oder Steuerschaltungen verwendet.

Das gesteuerte Filter kann allgemein angewendet werden. Es ist jedoch vorteilhaft für elektronische Vorschaltgeräte für Gasentladungslampen mit geringerem erforderlichen Strom während der Talspannungen der gleichgerichteten Netzspannung.

Die Figur 1 zeigt ein Schaltbild einer vorbekannten Schaltung mit einem Gleichrichter und einem konventionellen kapazitiven Filter, die Spannung an einen aktiven Verbraucher liefern.

Die Figur 2 zeigt Wellenformen zur Erläuterung der Verwendung des Filterkondensators in Figur 1 mit einem ungünstigen Wirkungsgrad.

Die Figur 3 ist eine Schaltzeichnung einer Leistungsschaltung mit einem aktiven oder gesteuerten Gleichstromverbraucher, die ein gesteuertes kapazitives Eingangsfilter gemäß der Lehre der Erfindung enthält.

Die Figuren h und 5 zeigen Wellenformen zur Veranschaulichung der gewöhnlichen Aufladung und der Resonanzaufladung für das gesteuerte kapazitive Filter.

Die Figuren 6 und 7 zeigen Abwandlungen des Gleichrichters und gesteuerten kapazitiven Filters nach Figur 3, wie sie in Schaltungen mit aktiven Wechselspannungsverbrauchern, Wirkleistungsverbrauchern oder Gleichspannungsverbrauchern oder mit Wechselspannungsverbrauchern verwendet werden.

Die Figur 8 zeigt eine Tandemanordnung des gesteuerten kapazitiven Filters nach Figur 3.

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Die Figur 9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Gleichrichters und gesteuerten kapazitiven Filters unter Verwendung einer Diode und eines gesteuerten Thyristors.

Die Figur 10 zeigt Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach Figur 9.

Es folgt nachstehend eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen.

Die Figur 1 zeigt die vorbekannte kapazitive Filteranordnung, wobei der Filterkondensator 11 unmittelbar über die Ausgungsanschlüsse eines Dioden-Brückengleichrichters 12 geschaltet ist, welcher durch eine Einphasen-Wechselspannung mit 60 Hz versorgt wird. Die Schaltung mit dem aktiven Verbraucher oder gesteuerten Verbraucher enthält mindestens ein aktives Bauteil 13, beispielsweise einen Reihendurchgangstransistor oder einen Schaltreglertransistor zur Ausregelung der Welligkeitsspannung, welche auf dem Filterkondensator erscheint, und zur Erzeugung einer konstanten Ausgangsgleichspannung V_DC zur Zuführung zum Verbraucher, wobei angenommen wird, daß die Kondensatorspannung ν

c oberhalb der Spannung V_DC bleibt. In Figur 2 ist die ideale vollweg-gleichgerichtete sinusförmige Spannung mit ausgezogenen Linien und die Filterkondensatorspannung ν mit gestrichelten Linien dargestellt. Man erkannt, daß die maximalen und minimalen Werte der Welligkeitsspannung V^, und V oberhalb der gewünschten Ausgangsspannung V_DC liegen. Das Entladeintervall des Filterkondensaitors beginnt zum Zeitpunkt ti in der Nähe der Spitze der gleichgerichteten Wechselspannung und endet, wenn die ansteigende gleichgerichtete Wechselspannung in der nächsten Halbperiode die etwa linear absinkende Kondensatorspannung übersteigt. Aus den Wellenformen in Figur 2 ist ersichtlich, daß der Filterkondensator in einer ungünstigen Weise aus folgenden

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Gründen verwendet wird. Erstens liefert der Kondensator Energie an den Verbraucher beginnend mit dem Zeitpunkt t., wenn dies eigentlich nicht erforderlich ist, da die gleichgerichtete Netzwechselspannung höher ist als die gewünschte Ausgangsgleichspannung und die Leitungsspannung an sich direkt Energie liefern könnte. Während der Kondensatorentladung wird an den Verbraucher aus dem Netz keine Leistung geliefert. Das Netz oder die Spannungsquelle muß daher eine relativ große Energiemenge in einem kleinen Durchlaßwinkelbereich liefern, und dies ergibt unnötig hohe Schwankungen des Netzstroms. Die Energie wird in Wirklichkeit aus dem Kondensator nicht vor etwa dem Zeitpunkt t2 benötigt, wenn die ideale gleichgerichtete Netzspannung unter die gewünschte Ausgangsspannung V_DC abfällt. Zweitens wird eine beträchtliche Energiemenge in dem Kondensator gespeichert, welche nie verwendet wird. Dieser Zustand ist zurückzuführen auf die Tatsache, daß sich der Kondensator nur auf V„_o entlädt, wobei diese Spannung etwa gleich oder

Kj(Z

geringfügig größer als V_DC ist. Unter Verwendung von Standardgleichungen kann gezeigt werden, daß die Spitzenenergie des Kondensators 1/2 C. V_ci ² ist und daß eine beträchtliche Energiemenge in Höhe von 1/2 C₁ V_C22 nie an den Verbraucher geliefert wird. Aus diesen beiden Feststellungen kann gefolgert werden, daß der Kondensator nicht nur eine relativ große Energiemenge speichert, die niemals verwendet wird, sondern auch Energie liefert, wenn dies nicht benötigt wird. Die gleichen allgemeinen Schlußfolgerungen sind auch anwendbar auf das gewöhnlich verwendete L-C-Filter mit der Ausnahme, daß hier der Kondensator bedeutend weniger Energie an den Verbraucher liefert, da er sich nicht auf den Spitzenwert der gleichgerichteten Netzwechselspannung aufladet. Der Reihenfilterinduktor liefert Energie, so daß die Anforderungen an den Filter-Nebenschlußkondensator vermindert werden. Der Filterkondensator wird trotzdem mit geringer Ausnutzung verwendet.

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Die Figur 3 zeigt eine Leistungsschaltung mit einem aktiven Gleichspannungsverbraucher, die einen Vollweg-Gleichrichter und ein gesteuertes kapazitives Filter zur wirksameren Ausnutzung des Filterkondensators enthält, wobei die Auflade- und Entladeintervalle des Kondensators unter Verwendung gesteuerter Festkörperschalter gesteuert werden. In dieser Ausführungsform wird der Filterkondensator während der Entladung praktisch in Reihe mit einem vorbestimmten Gleichrichteranschluß und dem Verbraucher geschaltet und wird vollständig entladen. Infolge der wirksameren Ausnutzung ist der Filterkondensator in Figur 3 kleiner als in Figur 1. In einer Einphasen-Leistungsschaltung kann eine Netzwechselspannung mit 60 Hz oder einer anderen niedrigen Netzfrequenz an die Eingangsanschlüsse Ik angeschlossen werden und wird unmittelbar dem Eingang des Vollweg-Brückengleichrichters 12 mit Dioden zugeführt. Die gesteuerte kapazitive Filterschaltung ist allgemein bei 15 angedeutet und ist unmittelbar mit den Gleichrichter-Ausgangsanschlüssen und 17 verbunden, wobei als gesteuerte Schalter vorzugsweise gittergesteuerte Thyristoren (SCR) verwendet werden. Für diesen Anwendungsfall werden gesteuerte Silizium-Gleichrichter (SCR) bevorzugt, obwohl auch durch das Gitter sperrbare Thyristoren (GTO) verwendet werden können. Das gesteuerte Filter 15 besteht aus einer zwischen den Gleichrichter-Ausgangsanschlüssen 16 und 17 angeschlossenen Schaltung. Diese enthält eine Sperrdiode 18, deren Anode an den positiven Anschluß 16 gekoppelt ist, so daß sie normalerweise den Laststrom führt, und eine Reihenschaltung mit einem Filterkondensator 19, einem kleinen di/dt-Induktor 20 und einem ersten Thyristor 21, welche zwischen die Kathode der Diode 18 und den negativen Anschluß 17 geschaltet ist. In dieser Anordnung steuert der Thyristor 21 die Aufladeintervalle des Filterkondensators 19. Ein zweiter Thyristor ist zwischen den positiven Anschluß 16 und den Verzweigungspunkt zwischen dem Induktor 20 und dem Thyristor 21 geschaltet

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und steuert die Entladeintervalle in aufeinanderfolgenden Halbperioden der Netzspannung.

Die Wirkleistungsverbraucherschaltung oder der aktive Verbraucher 23 ist beispielsweise ein Transistorzerhacker in einer bekannten Bauform. Zusammengefaßt₉ enthält der Zerhacker 23 einen Leistungstransistor 24 und einen Induktor in Reihe zwischen der Sperrdiode 18 und einem positiven Gleichspannungsausgangsanschluß 26, wobei ein Verbraucher zwischen den Ausgangsanschlussen 26 und 17 vorgesehen ist und eine Diode 28 (Freilaufdiode) zwischen dem negativen Ausgangsanschluß 17 und zwischen dem Leistungstransistor und dem Induktor 25 vorgesehen ist. Durch Betrieb des Leistungstransistors 24 mit einer hohen Zerliackerfrequenz wird die Nadelspannung e_ß zur Versorgung des Verbrauchers so geregelt, daß sie eine dem Verbraucher zugeführte, praktisch konstante Ausgangsgleichspannung Ej. „ erzeugt. Während der Stromdurchlaßintervalle des Leistungstransistors 24 erhält der Verbraucher die Energie unmittelbar durch die Spannung des gesteuerten kapazitiven Filters und während der Sperrintervalle ergibt die Freilaufdiode 28 einen Weg zur Zirkulation der vom Freilaufinduktor 25 entladenen Energie. Für einige Anwendungszwecke sind ein Eingangskondensator für Hochfrequenz und ein Lastspannungsfilterkondensator für Hochfrequenz erwünscht; diese Teile können für andere Anwendungszwecke weggelassen werden. Mit dem gesteuerten Eingangsfilter 15 können verschiedene aktive Verbraucherschaltungen (Lastschaltungen) verwendet werden, und sie enthalten im allgemeinen mindestens ein,aktives Bauteil zur Erzeugung einer geregelten oder vorbestimmten Ausgangsgleich spannung oder eines Ausgangsgleichstroms. In dem weiteren Umfang der Erfindung können auch der Gleichrichter und das gesteuerte kapazitive Filter unmittelbar mit einigen Verbrauchern verwendet werden, die geeignet sind zur Versorgung durch die stark mit Nadelspannungen behaftete Spannung am Filterausgang.

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Die Wellenformen der Figur k veranschaulichen die Arbeitsweise des gesteuerten Filters 15. Während der Spitzenwerte der vollweg-gleichgerichteten sinusförmigen Netzspannung, die mit ausgezogenen Linien gezeigt ist, läßt der Thyristor 21 Strom durch und der Filterkondensator 19 ladet über die Diode 18 auf. Der kleine Induktor 20 begrenzt die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms durch den Thyristor 21 beim Einschalten auf einen sicheren Wert und verhindert auch, daß die Gleichspannung zur Versorgung des aktiven Verbrauchers 23 beim Zünden des Thyristors 21 zusammenbricht. Während dieses Zeitraums wird die Energie dem aktiven Verbraucher oder Wirkleistungsverbraucher unmittelbar aus dem Netz zugeführt, da die gleichgerichtete Spannung höher ist als die gewünschte Gleichspannung E_Dq. Der Kondensator 19 wird auf den Spitzenwert der gleichgerichteten sinusförmigen Spannung aufgeladen, und zu diesem Zeitpunkt wird der Thyristor 21 auf natürliche Weise kommutiert und gesperrt, wenn der Kondensator 19 versucht, seine Stromrichtung umzukehren und Energie an den Verbraucher zu liefern. Solange die gleichgerichtete Netzspannung die Spannung Ejj_C übersteigt, wird die Filterkondensatorenergie zur späteren Verwendung gespeichert anstelle einer Entladung in einem Zeitraum, in dem sie nicht benötigt wird. Da der benötigte Filterkondensator kleiner ist als in der Schaltung nach Figur 1, folgt die Kondensatorspannung praktisch der gleichgerichteten sinusförmigen Spannung während des Aufladeintervalls. Zum Zeitpunkt t. fällt die gleichgerichtete Netzwechselspannung auf einen ungenügenden Wert ab, d.h. auf einen Wert kleiner als E_ßC. Zu diesem Zeitpunkt oder kurz davor wird der zweite Thyristor 22 gezündet, und der Filterkondensator 90 wird effektiv in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet, da der Diode 18 nunmehr eine Sperrspannung zugeführt wird. Daher steigt zum Zeitpunkt t. die Spannung e zur Speisung des aktiven Verbrauchers schnell

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auf einen hohen Wert gleich dem Spitzenwert der gleichgerichteten Netzwechselspannung an (d.h. der Kondensatorspannung) plus dem Wert der sinusförmigen Netzwechselspannung zum Zeitpunkt t . Der kleine Induktor 20 begrenzt auch die Schnelligkeit des Stromanstiegs durch den Thyristor 22 und verhindert einen hohen Stromstoß in den Eingangskondensator 29 des Zerhackers, welcher den vom Zerhacker geforderten Strom hoher Frequenz liefert. Nach dem ursprünglichen schnellen Anstieg der Eondensatorspannung entlädt sich der Kondensator ±9 und liefert so lange Energie an den Verbraucher, bis er zum Zeitpunkt t₂ vollständig entladen ist. Zum Zeitpunkt t„ wird die Diode 18 erneut in Durchlaßrichtung vorgespannt und läßt Strom durch, und hierdurch wird der Thyristor 22 auf natürliche Weise durch Kommutierung gesperrt. Nach einer geringen Verzögerung, die gewährleisten soll, daß die Thyristoren 21 und 22 keine überlappenden Stromdurchlaßintervalle besitzen, wird der Thyristor 21 erneut gezündet zur erneuten Aufladung des Kondensators 19. Der kleine Induktor 20 begrenzt die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms durch den Thyristor 21 und verhindert auch, daß die Gleichspannung zur Versorgung des aktiven Verbrauchers beim Zünden des Thyristors 21 zusammenbricht. Der Filterkondensator 19 lädt sich nunmehr erneut auf den Spitzenwert der gleichgerichteten sinusförmigen Netzspannung auf und der Zyklus wiederholt sich.

Figur 2 zeigt geeignete Steuer— oder Zündschaltungen für Thyristoren 21 und 22 des SCR-Typs zur Lieferung von Steueroder Zündimpulsen zum richtigen Zeitpunkt gemäß der vorstehend beschriebenen Betriebsart. Um den Thyristor 22 in jeder Halbperiode zum Zeitpunkt t stromdurchlässig zu machen, wird die momentane vollweg-gleichgerichtete sinusförmige Spannung zwischen den Ausgangsanschlüssen ±6 und 17 des Gleichrichters erfaßt, und das Meßfühler- oder Sensorsignal

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wird entweder mit einer Bezugsspannung verglichen, welche die gewünschte Ausgangsspannung E„_r darstellt, oder mit einem Spannungssensorsignal, welches den momentanen Ist-Wert von E_DC darstellt. Zu diesem Zweck wird ein geeigneter Spannungsmeßfühler verwendet, beispielsweise ein Spannungsteiler mit den Widerständen 32 und 33» der in Reihe zwischen die Ausgangsanschlüsse 16 und 17 des Gleichrichters geschaltet ist, und die Signalsρannung an dem Verzweigungspunkt wird dem umkehrenden Eingang eines Komparators 3^ zugeführt. Vorzugsweise wird dem nicht-umkehrenden Eingang eine Bezugsspannung V zugeführt und dadurch dann ein Ausgangssignal rex

erzeugt, wenn die vollweg-gleichgerichtete sinusförmige Netzspannung beginnt, unter die Spannung V- abzusinken. Das Komparatorausgangssignal wird einem Impulstransformator 35 zugeführt zur Erzeugung der am Gitter des Thyristors zugeführten Zündimpulse. Anstelle der Verwendung einer Bezugsspannung V „ kann auch die tatsächlich vorhandene Ausrex

gangsgleichspannung E™ erfaßt werden, beispielsweise durch Verwendung eines weiteren Spannungsteilers mit den Widerständen 36 und 37j die in Reihe zwischen die Ausgangsanschlüsse 26 und 17 geschaltet sind (in gestrichelten Linien dargestellt). Das Meßfühlersignal am Verzweigungspunkt wird dann dem nicht-umkehrenden Eingang des Komparators zugeführt. Der Zündimpuls für den Thyristor 21 wird gemäß Figur k geringfügig über den Zeitpunkt t₂ hinaus verzögert, um zu gewährleisten, daß die Thyristoren 21 und 22 nicht gleichzeitig stromdurchlässig sind. Wenn die Kondensatorspannung sich auf 0 entlädt, dann wird die Sperrdiode 18 erneut in Durchlaßrichtung vorgespannt und beginnt, den Laststrom oder Verbraucherstrom durchzulassen. Diese Übernahme des Laststroms wird von einem Stromtransformator 38 oder einem anderen geeigneten Stromsensor erfaßt, und das Sensorsignal wird einer Verzögerungsschaltung 39 zugeführt, beispielsweise einem Univibrator, um das verzögerte Zündsignal zu erzeugen, das am Gitter des Thyristors 21 zugeführt wird.

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Gewünschtenfalls kann die Kondensatorspannung unmittelbar durch einen Meßfühler erfaßt werden.

Für viele Anwendungszwecke kann die Größe des Filterkondensators ±9 noch weiter verringert werden, da der aktive Verbraucher oder Wirkleistungsverbraucher 23 während der Entladezeit des Filterkondensators mit verringerter Stromstärke betrieben werden kann (in dem Intervall zwischen t^ und t₂). Beispielsweise können für Lampen als Verbraucher (beispielsweise eine unter dem Handelsnamen Lucalox erhältliche Lampe der General Electric Company) während der Talspannungen der gleichgerichteten Netzwechselspannung verminderte Stromstärken zugeführt werden, die gerade groß genug sind, um die Lampe an einer Entionisation zu hindern. Die Wellenformen für die Stromstärke der Lampe und weitere Informationen über diesen Anwendungsfall werden in der deutschen Patentanmeldung P 2k 6l kk9fi gegeben. Wie dort beschrieben, kann die Form der Lampenstromstärke so gesteuert werden, daß der aus dem Netz entnommene Strom zu einem hohen Leistungsfaktor für die Eingangsleistung führt. Hierzu wird auch noch auf die deutsche Patentanmeldung P 2k 61 kkOg verwiesen. Die Anordnung nach Figur 3 kann als Lampenvorschaltwiderstand oder Lampenballast verwendet werden und ebenso die Anordnung nach Figur 6.

Das gesteuerte Eingangsfilter 15 in Figur 3 kann auch mit Resonanzaufladung betrieben werden, wenn es so abgewandelt wird, daß der Induktor 20 zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit durch einen etwas größexen Induktor ersetzt wird. Durch Erhöhung der durch die Verzögerungsschaltung bewirkten Verzögerung und damit die Verzögerung der Zündung des Thyristors 21 bis in die Nähe des Spitzenwertes der gleichgerichteten sinusförmigen Spannung wird der Filterkondensator 19 in Resonanz auf etwa das Doppelte des Spitzenwertes der Netzwechselspannung aufgeladen. Daher

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wird bei einer vorgegebenen Größe des Filterkondensators viel mehr Energie gespeichert und die für eine gegebene Anwendung benötigte Kapazität wird verringert. Die Figur 5 zeigt eine solche Arbeitsweise. Zum Zeitpunkt t., in dem die gleichgerichtete sinusförmige Spannung unter die Spannung Eg« absinkt, wird der Thyristor 22 wie zuvor zum Stromdurchlaß gezündet und der Filterkondensator 19 entladet sich vollständig. Zwischen dem Zeitpunkt t„ und dem verzögerten Zeitpunkt, zu dem der Thyristor 21 erneut gezündet wird, ist die Kondensatorspannung V Null. Der Thyristor wird auf natürliche Weise durch Kommutierung gesperrt unmittelbar nach dem Zeitpunkt, in dem die Kondensatorspannung V in jeder Halbperiode ihren Spitzenwert erreicht.

Das gesteuerte kapazitive Eingangsfilter 15' in Figur 6 ist eine Abwandlung des gesteuerten Filters in Figur 3 unter Verwendung eines Paars von Thyristoren 22a bzw. 22b, die jeweils mit den Eingangsanschlüssen eines Dioden-Brückengleichrichters verbunden sind, um abwechselnd entsprechend der Polarität der Netzwechselspannung die Entladung des Filterkondensators 19 zu steuern. Daher wird die Sperrdiode 18 zusammen mit dem Halbleiter-Spannungsabfall in Reihe mit dem Verbraucher beseitigt. Die Schaltung arbeitet in gleicher Weise wie die Schaltung in Figur 3 mit der Ausnahme, daß der Filterkondensator 19 entsprechend der Polarität der Netzspannung unmittelbar über den Thyristor 22a oder den Thyristor 22b entladen wird und nicht durch eine der oberen Dioden in dem Brückengleichrichter. Die gleichen Meßfühlerschaltungen und Zündimpulsschaltungen wie in Figur werden verwendet mit der Ausnahme, daß der Ausgang des Impulstransformators mit getrennten Sekundärwicklungen mit beiden Gittern verbunden ist, da ein Thyristor in Sperrichtung vorgespannt ist und keinen Strom durchlassen wird. Der aktive Verbraucher 23* in Figur 6 schließt auch einen

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Weehselspannungsverbraucher ein, beispielsweise eine Gasentladungslampe. Der aktive Verbraucher 23' ist ähnlich dem aktiven Verbraucher der Figur 3 mit der Ausnahme eines zusätzlichen kleinen Eingangsfilterinduktors 41 und der Einfügung einer Transistorbrücke 42 zwischen den Gleichspannungs-Ausgangsanschlüssen 26 und 17, welche in bekannter Weise zur Versorgung des Wechselspannungsverbrauchers 23 betrieben wird.

Die Figur 7 zeigt eine Abwandlung des gesteuerten kapazitiven Eingangsfilters in Figur 6, wobei durch eine weitere Diode ein SCR oder ein anderer Thyristor beseitigt wird. In dieser Anordnung enthält das gesteuerte Filter 15" ein Paar von Dioden 44a bzw. 44b, die zwischen die Eingangsanschlüsse des Dioden-Brückengleichrichters 12 und die Anode des Thyristors 22c geschaltet sind. Im Betrieb werden Zündimpulse dem Thyristor 22c zum Zeitpunkt t. in jeder Halbperiode zugeführt zur Steuerung des Entladeintervalls des Filterkondensators 19. Die beiden Anordnungen nach Figur 6 und Figur 7 können auch mit Resonanzaufladung des gesteuerten Filters betrieben werden, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit Figur 5 beschrieben wurde.

Die Figur 8 zeigt eine weitere Abwandlung des gesteuerten kapazitiven Eingangsfilters unter Verwendung von zwei der gesteuerten Filter 15 nach Figur 3, die in Tandem geschaltet sind. In jedem gesteuerten Filter sind identische Bauteile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Es werden die gleichen Meßfühler und Zündschaltungen wie in Figur 3 benutzt (nicht gezeigt). In der Tandemschaltung des gesteuerten Filters werden die Kondensatoren 19 parallel aufgeladen und für die Entladung in Reihe geschaltet. Daher kann diese Anordnung zur Erzeugung von hohen Spannungsimpulsen verwendet werden.

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Die Figur 9 zeigt eine etwas einfachere Form des gesteuerten Filters unter Benutzung einer einzigen Diode 45 und eines invers-parallelen SCR's oder anderen Thyristors 46, der in Reihe mit dem Filterkondensator 19 zwischen die Ausgangs anschlüsse 16 und 17 geschaltet ist. Zur Zuführung von Zündimpulsen zum Thyristor 46, der in dieser einfacheren Bauform die Entladungsintervalle des Kondensators 19 steuert, wird die gleiche Schaltung mit Spannungsmeßfühler und Zündschaltung verwendet, wie sie in Figur 3 für den Thyristor verwendet wurde. Die Arbeitsweise wird anhand der Wellen— formen der Figur 10 erläutert. Der Kondensator 19 lädt sich über die Diode 45 auf den Spitzenwert der vollweg-gleichgerichteten sinusförmigen Netzspannung auf und entlädt sich während der Talspannungen durch den Thyristor 46. Im Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungsformen wird ein etwas größerer Filterkondensator benötigt, da das Netz oder die Kraftleitung während der Entladung des Kondensators keine Energie liefert und der Kondensator in jedem Zyklus nicht seine gesamte gespeicherte Energie entladet. Daher bleibt die Kondensatorspannung ν auf ihrem Spitzenwert bis zum Zeitpunkt t₁, an dem die sinkende gleichgerichtete sinusförmige Spannung unter die gewünschte Ausgangsgleichspannung E^_n abzusinken beginnt. Zu diesem Zeitpunkt wird vom Komparator 34 und Impulstransformator 35 ein Zündimpuls entnommen und dem Gitter des Thyristors 46 zugeführt. Der Kondensator 19 entladet sich dann durch den Thyristor 46 bis zum Zeitpunkt t~ in der nächsten Halbperiode, an dem die ansteigende gleichgerichtete sinusförmige Spannung die Kondensatοrspannung ν übersteigt und die. Energie direkt von dem Netz zum Verbraucher geliefert wird, während der Kondensator erneut aus dem Wechselspannungsnetz aufgeladen wird. Während der Entladung des Filterkondensators kann man beobachten, daß der Filterkondensator parallel zum Verbraucher bleibt und nicht praktisch in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet wird, wie dies bei den anderen Ausführungsformen des gesteuerten Filters der Fall ist.

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In dem einfacheren gesteuerten Filter nach Figur 9 wird der Filterkondensator besser ausgenutzt als in einem konventionellen kapazitiven Filter, wie es beispielsweise in Figur 1 gezeigt wird, und die zusätzliche Kapazität, die für einen vorgegebenen Anwendungszweck im Vergleich mit den vorhergehend beschriebenen gesteuerten Filtern benötigt wird, wird oft durch die relative Einfachheit wettgemacht. Wegen der geringen Kosten und der kleinen Zahl von Bauteilen ist das gesteuerte Filter nach Figur 9 besonders geeignet für einen elektronischen Vorschaltwiderstand für Gasentladungslampen. Der aktive Verbraucher 23· in einem beispielhaften elektronischen Vorschaltwiderstand kann identisch sein mit dem aktiven Verbraucher in Figur 6, wenn man annimmt, daß der Wechselspannungsverbraucher eine Lucalox-Lampe oder eine andere Lampe ist. In dieser Ausführungsform und auch in allen vorhergehenden Ausführungsformen besitzen der Thyristor oder die Thyristoren zur Steuerung der Entladeintervalle des Filterkondensators und auch zur Steuerung der Aufladeintervalle in den vorhergehenden Ausführungsformen relativ niedrige Nennstromstärken im Vergleich zu der Verbraueherstromstärke, da sie in jeder Halbperiode nur während eines relativ kurzen Zeitraums Strom durchlassen. Es sind daher zur Verwendung in den gesteuerten Filtern billige SCB's des Fhasensteuerungstyps brauchbar.

Zusammengefaßt, wird das gleichspannungsgesteuerte kapazitive Filter für eine Phase meistens in Verbindung mit einem Dioden-Brückengleichrichter oder einem anderen Vollweg-Gleichrichter und einer aktiven Verbraucherschaltung verwendet, wobei eine vorgegebene einsinnig gerichtete Ausgangsspannung vorhanden ist. Wie noch umfassender definiert, enthält das gesteuerte Filter zwischen den ausgewählten Gleichrichteranschlüssen den Filterkondensator und eine Festkörpereinrichtung, beispielsweise einen Thyristor oder

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eine Diode, welche in Reihe in einer Schaltung liegen, die zwischen die Gleichrichter—Ausgangsanschlüsse geschaltet ist. Dabei umfassen die Festkörpereinriehtung und eine Meßfühler- und Zündimpulsschaltung gegebenenfalls Einrichtungen zur Steuerung öer Aufladung des Filterkondensators. Das gesteuerte Filter enthält weiterhin Einrichtungen zur Steuerung der Entladung des Filterkondensators, die mindestens einen gesteuerten Festkörpersehalter enthalten, beispielsweise einen Thyristor, und Einrichtungen mit Meßfühler— und Zündimpulsschaltung, um den gesteuerten Schalter während der Intervalle stromdurchlässig zu machen, in denen der Momentanwert der gleichgerichteten Netzspannung unterhalb der vorgegebenen Ausgangsspannung liegt. Für einige Anwendungsfälle beseitigt die Verkleinerung der Kapazität, welche durch eine bessere Ausnutzung des Kondensators möglich ist, die Notwendigkeit für Elektrolytkondensatoren mit ihren Problemen bezüglich der Langzeitzuverlässigkeit und des begrenzten Temperaturbereichs.

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Claims

Patentansprüche;

i.)j Leistungssehaltung mit einem gesteuerten kapazitiven Filter zur Verwendung mit einer aktiven Verbraucherschal— tung mit einer vorgegebenen einsinnig gerichteten Ausgangsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt: einen Vollweg-Grleiehriehter (12) mit einem Paar von Ein— gangsanschlüssen (14), der an eine Quelle von Niederfrequenz—Netzwechselspannung angeschlossen werden kann und an einem Paar von Ausgangsanschlussen eine vollweg—gleichgerichtete Netzspannung erzeugt,

ein zwischen ausgewählte Gleichrichteranschlüsse (l6,17) geschaltetes gesteuertes kapazitives-Filter (15)» das einen Filterkondensator (19) und eine Festkörpereinrichtung (18,21) in Reihenschaltung zwischen den Gleiehrichter-Ausgangsanschlüssen (l6,17) enthält, wobei die Festkör— pereinrichtung Einrichtungen (l8,2l) zur Steuerung der Aufladung des Filterkondensators (19) umfaßt und das gesteuerte Filter (15) weiterhin Einrichtungen mit mindestens einem gesteuerten Festkörperschalter (22) zur Steuerung der Entladung des Filterkondensators (19) enthält , und

Schaltungseinrichtungen um den gesteuerten Schalter (22) während derjenigen Intervalle stromdurchlässig zu machen, in denen der Momentanwert der vollweg—gleichgerichteten Netzspannung unterhalb der vorgegebenen einsinnig gerichteten Ausgangsspannung liegt.

2.) Leistungsschaltung nach Anspruch !,.dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Steuerung der Entladung des Filterkondensators geeignet ist zur Verbindung des Filterkondensators (19) in Reihe mit einem vorgegebenen Gleichrichteranschluß in jeder Halbperiode der Netzspannung.

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3. ) Leistungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pestkörpereinrichtung in der Einrichtung zur Steuerung der Aufladung des Filterkondensators ein erster gittergebteuerter Thyristor (21) ist, und Einrichtungen vorgesehen sind, um den ersten gittergesteuerten Thyristor mit einer vorgegebenen Verzögerung nach der vollständigen Entladung des Pilterkondensators stromdurchlässig zu machen.

k.) Leistungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Gleichrichteranschluß der positive Ausgangsanschluß (l6) des Gleichrichters (12) ist,

die zwischen die Gleichrichter-Ausgangsanschlüsse (16,17) gekoppelte Schaltung weiterhin eine zwischen den positiven Gleichrichter-Ausgangsanschluß (l6) und den Fil— terkondensator (19) geschaltete Diode (18) enthält, und

der gesteuerte Schalter ein zweiter gittergesteuerter Thyristor (22) ist, welcher zwischen den positiven Gleichrichter-Ausgangsanschluß (l6) und einen Verzweigungspunkt zwischen dem Filterkondensator (19) und dem ersten gittergesteuerten Thyristor (21) geschaltet ist.

5.) Leistungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen die Gleichrichter-Ausgangsanschlüsse (16,17) gekoppelte Schaltung weiterhin einen Induktor (20) in Reihe zwischen dem Filterkondensator (19) . und dem ersten gittergesteuerten Thyristor (21) enthält und durch die Einrichtung, mit welcher der erste gitter— gesteuerte Thyristor (21) mit einer vorgewählten Verzögerung stromdurchlässig gemacht werden kann, eine Resonanzaufladung des Filterkondensators (19) möglich ist durch Verzögerung der Zündung bis zu einem Zeitpunkt in der Nähe des Spitzenwertes der gleichgerichteten Netzspannung.

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6.) Leistungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Sehalter ein zweiter gittergesteuerter Thyristor (22) ist, der zwischen einen Eingangsanschluß des Gleichrichters und einen Verzweigungspunkt zwischen dem Filterkondensator (19) und dem ersten gittergesteuerten Thyristor (21) geschaltet ist, und die Einrichtung zur Steuerung der Entladung des Filterkondensators weiterhin einen zweiten gesteuerten Schalter in Form eines dritten gittergesteuerten Thyristors enthält, welcher zwischen den anderen Eingangsanschluß des Gleichrichters und den Verzweigungspunkt zwischen dem Filterkondensator (19) und dem ersten gittergesteuerten Thyristor (21) geschaltet ist.

7.) Leistungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Steuerung der Entladung des Filterkondensators (19) weiterhin ein Paar von Dioden enthält, die mit dem Paar von Gleichrichter-Eingangsanschluss en verbunden sind, wobei der gesteuerte Schalter ein zweiter gittergesteuerter Thyristor ist, der mit jeder der Dioden und mit einem Verzweigungspunkt zwischen dem Filterkondensator (19) und dem ersten gittergesteuerten Thyristor (21) verbunden ist.

8.) Leistungsschaltung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, mit welcher der gesteuerte Schalter (22) stromdurchlässig gemacht werden kann, eine Spannungssensoreinrichtung (32,33) zur Erfassung des Momentanwertes der vollweg-gleichgerichteten Netzspannung und zur Erzeugung eines Sensorsignals entsprechend dieser Spannung enthält, wobei ein Komparator (34) zum Vergleich dieses Sensorsignals mit einer Bezugsspannung vorgesehen ist, das repräsentativ ist für die vorgegebene einsinnig gerichtete Ausgangsspannung, sowie eine Schaltung (35) zur Erzeugung eines dem gesteuerten Schalter (22) zugeführten Zündimpulses,

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und die Einrichtung, mit der der erste gittergesteuerte Thyristor (21) stromdurchlässig gemacht werden kann, einen Strommeßfühler (38) und eine Verzögerungsschaltung (39) enthält, welche durch die Wiederaufnahme des Stromflusses nach der vollständigen Entladung des Filterkondensators (19) betätigbar ist.

9.) Leistungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörpereinrichtung eine Diode (45) ist und der gesteuerte Schalter ein gittergesteuerter Thyristor (46) ist, der invers-parallel zu der Diode geschaltet ist.

10.) Leistungsschaltung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, mit welcher der gittergesteuerte Thyristor (46) stromdurchlässig gemacht wird, ein Spannungsmeßfühler (38) zur Erfassung des Momentanwertes der vollweg-gleichgerichteten Netzspannung und zur Erzeugung eines Sensorsignals entsprechend dieser Spannung enthält, sowie einen Komparator (34) zum Vergleich des Sensorsignals mit einer für die vorgegebene einsinnig gerichtete Ausgangsspannung repräsentativen Bezugsspannung und eine Schaltung zur Erzeugung eines zum gittergesteuerten Thyristor zugeführten Zündimpulses enthält.

11.) Leistungsschaltung mit einem gesteuerten kapazitiven Filter, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt: einen Vollweg-Gleichrichter (12) mi,t einem Paar von Eingangsanschlüssen (14), welche an eine Quelle für niederfrequente Netzwechselspannung angeschlossen werden können, und mit positiven und negativen Ausgangsanschlussen (16,17), an denen eine vollweg-gleichgerichtete Netzspannung erzeugt wird, ein zwischen ausgewählte Gleichrichteranschlüsse geschaltetes gesteuertes kapazitives Filter (15),

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das einen Filterkondensator (19) und einen ersten gittergesteuerten Thyristor (21) zur Steuerung der Aufladung des Filterkondensators enthält, welche in Reihe zwischen die Ausgangsanschlüsse (16,17) des Gleichrichters (12) gekoppelt sind, und weiterhin Einrichtungen enthalten sind, die mindestens einen zweiten gittergesteuerten Thyristor (22) zur Steuerung der Entladung des Filterkondensators umfassen, sowie eine aktive Verbraucherschaltung (23), welche Spannung von dem gesteuerten Filter (15) erhält und eine geregelte einsinnig gerichtete Ausgangsspannung erzeugt, eine erste Meßfühler- und Zündimpulsschaltung, durch welche der erste gittergesteuerte Thyristor (21) mit einer vorgegebenen Verzögerung nach der vollständigen Entladung des Filterkondensators (19) stromdurchlässig gemacht werden kann, und

eine zweite Meßfühler- und Zündimpulseinrichtung, um den zweiten gittergesteuerten Thyristor (22) während der Intervalle stromdurchlässig zu machen, in denen der Momentanwert der vollweg-gleichgerichteten Netzspannung unter der geregelten einsinnig gerichteten Ausgangsspannung liegt.

12.) Leistungsschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Ausgangsanschlussen (16,17) des Gleichrichters gekoppelte Schaltung weiterhin eine zwischen dem positiven Gleichrichterausgangsanschluß und den Filterkondensator geschaltete Diode (18) enthält,

wobei der zweite gittergesteuerte Thyristor (22) zwischen diesen positiven Gleichrichterausgangsanschluß (l6) und einen Verzweigungspunkt zwischen dem Filterkondensator (19) und dem ersten gittergesteuerten Thyristor (21) geschaltet ist.

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13.) Leistungsschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen die Gleichrichter-Ausgangsanschlüsse gekoppelte Schaltung weiterhin einen Induktor (20) in Reihe zwischen dem Filterkondensator (19) und dem ersten gittergesteuerten Thyristor (21) enthält, und die Meßfühler- und Zündimpulseinrichtung, mit welcher der erste gittergesteuerte Thyristor stromdurchlässig gemacht werden kann, eine Resonanzaufladung des Filterkondensators (19) ermöglicht durch Verzögerung der Zündung bis zu einem Zeitpunkt Xn der Nähe des Spitzenwertes der gleichgerichteten Netzspannung.

14.) Leistungsschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite gittergesteuerte Thyristor zwischen einen Gleichrichter-Eingangsanschluß und einen Verzweigungspunkt zwischen dem Filterkondensator (19) und dem ersten gittergesteuerten Thyristor (21) geschaltet ist und die Einrichtung zur Steuerung der Entladung des Fil— terkondensators weiterhin einen dritten gittergesteuerten Thyristor enthält, der zwischen den anderen GleiehrichterEingangs ans chluß und den Verzweigungspunkt zwischen dem Filterkondensator und dem ersten gittergesteuerten Thyristor geschaltet ist, wobei noch eine zweite Meßfühlerund Zündeinrichtung vorgesehen ist, durch welche der zweite und dritte gittergesteuerte Thyristor in Abhängigkeit von der Polarität der Netzspannung stromdurchlässig gemacht werden können.

15.) Leistungsschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Steuerung der Entladung des Filterkondensators weiterhin ein Paar von Dioden (kh&fkkTo) enthält, die in Reihe mit dem zweiten gittergesteuerten Thyristor (22c) zwischen die Eingangsanschlüsse des Gleichrichters und. einen Verzweigungspunkt zwischen dem Filterkondensator (19) und dem ersten gittergesteuerten Thyristor (21) geschaltet sind.

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16.) Leistungsschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Meßfühler- und Zündimpulseinrichtung eine Strommeßfühlereinrichtung (38) und eine Verzögerungsschaltung (39) enthält, welche durch Wiederaufnahme des Stromflusses nach der vollständigen Entladung des Filterkondensators (19) betätigbar ist zur Erzeugung eines Zündimpulses zu dem ersten gittergesteuerten Thyristor (21), und

die zweite Meßfühler- und Zündimpulseinrichtung einen ersten Spannungssensor (32,33) zur Erfassung des Momentanwertes der vollweg-gleichgerichteten Netzspannung und zur Erzeugung eines entsprechenden ersten Sensor-Signals enthält, sowie einen zweiten Spannungssensor (36,37) zur Erfassung des Momentanwertes der einsinnig gerichteten Ausgangsspannung und zur Erzeugung eines zweiten Sensorsignals entsprechend derselben, sowie einen Komparator (34) zum Vergleich der Sensor-Signale und eine Schaltung (35) zur Erzeugung eines Zündimpulses zu dem zweiten gittergesteuerten Thyristor (22).

17.) Leistungsschaltung mit einem gesteuerten kapazitiven Filter, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt: einen Vollweg-Gleichrichter (12) mit einem Paar von Eingangsanschlüssen (14) zur Verbindung mit einer Quelle für niederfrequente Netzwechselspannung und zur Erzeugung einer vollweg-gleichgerichteten Netzspannung, ein gesteuertes kapazitives Filter (15) einschließlich eines Filterkondensators (19) und einer Diode (45), welche in Reihe zwischen die Gleichrichter-Ausgangsanschlüsse (16,17) zur Steuerung der Aufladung des Filterkondensators (19) geschaltet sind, wobei weiterhin ein gittergesteuerter Thyristor (46) vorhanden ist, der invers-parallel zur Diode (45) zur Steuerung der Entladung des Filterkondensators (19) geschaltet ist,

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eine aktive Verbraucherschaltung (23), welche von dem Filterkondensator (19) Spannung erhält und eine geregelte einsinnig gerichtete Ausgangsspannung erzeugt,

und eine Meßfühler- und Zündimpulseinrichtung (32,33,34,35), mit der der gittergesteuerte Thyristor (46) während der Intervalle stromdurchlässig gemacht werden kann, in denen der Momentanwert der Netzspannung unterhalb der geregelten einsinnig gerichteten Ausgangsspannung liegt.

18.) Leistungsschaltung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler- und Zündimpulseinrichtung einen Spannungssensor (32,33) zur Erfassung des Momentanwertes der vollweg-gleichgerichteten Netzspannung und zur Erzeugung eines entsprechenden Sensorsignals besitzt, sowie einen Komparator (34) zum Vergleich des Sensorsignals mit einer Spannung, die für die geregelte einsinnig gerichtete Ausgangsspannung repräsentativ ist, und eine Schaltung (35) zur Erzeugung eines Zündimpulses zu dem gittergesteuerten Thyristor

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