DE2825708B2 - Schaltungsanordnung zum Verringern von Oberwellen im Netzwechselstrom bei Gleichstromverbrauchern, die aus dem Wechselstromnetz gespeist werden - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Verringern von Oberwellen im Netzwechselstrom bei Gleichstromverbrauchern, die aus dem Wechselstromnetz gespeist werden

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung /um Verringern von Oberwellen im Netzwechselstrom bei Gleichstromverbrauchern mit parallelem Ladekondensator, die aus einem Wechselstromnet/ über einen Gleichrichter mit Drossel gespeist werden.
Gleichstromverbraucher, die über einen Gleichrichter und über einen Ladekondensator zur Glättung direkt sm Wechselstromnetz betrieben werden, erzeggen wegen der geringen Stromflußdauer des Kondensatorladestroms — Netzstrom fließt nur im Spannungsmaximum der Netzspannung — einen Netzstrom mit hohem Klirrfaktor, der zu einer hohen Verzerrungsblindleistung und damit zu hohen Netzanschlußwerten führt Moderne Schaltnetzteile als Gleichstromverbraucher werden in der Regel über eine Gleichrichtung und Ladekondensatorsiebung ohne weitere Maßnahme, allenfalls noch über ein Funkentstörfilter, aus dem Wechselstromnetz betrieben. Einige Anwender lassen beim Einsatz solcher Geräte genaue Maximalwerte für die Oberwellenanteile zu, insb. der 3, 5, 7. usw. Harmonischen. Das aber erfordert aufwendige Filter (große Drosseln und Kondensatoren), deren Volumen und Gewicht bereits in die Größenordnung des Schaltnetzteiles selbst kommen. Dadurch ist dann aber die Wirtschaftlichkeit des ganzen Konzepts in Frage gestellt
Aus der DE-OS 22 17 023 ist die eingangs bezeichnete Schaltungsanordnung bekannt, die jedem Gleichrich terventii eines Voiiweiiengleichrichlers mindestens ein gesteuertes Ventil antiparallel schaltet und eine aufwendige Steueranordnung für diese Ventile vorsieht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Gleichspannungsverbraucher eine aus dem Wechselstromnetz gewonnene Gleichspannung anzubieten, oVme das Netz mit Verzerrungsblindleistung zu belasten. Dabei soll der technische Aufwand gering gehalten werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß sich zum Erzwingen eines der Gleichrichterspannung im wesentlichen folgenden Gleichrichterstroms parallel zu der Reihenschaltung aus Gleichrichter und Drossel und parallel zu dem Ladekondensator ein mit wesentlich höherer Frequenz als die Netzfrequenz getasteter Schalter befindet, der den über die Drossel fließenden Gleichrichtcrstrom schaltet, wobei die Ausgangsspani.jrg des Gleichrichters das Tastverhältnis des Schalters bestimmt
Dadurch, daß während der Abschaltzeiten des Schalters der Gleichrichterstrom über die Drossel in den Ladekondensator fließt und daß während der Einschaltzeiten ein nicht vom Ladekondensator bestimmter Gleichrichterstrom über den Schalter fließt und daß die Gleichrichterspannung das Verhältnis zwischen Einschalt- und Abschaltzeit, d. h. das Tastverhältnis bestimmt folgt der Gleichrichterstrom im wesentlichen der Gleichrichterspannung, lediglich überlagert von Frequenzen oberhalb der Tastfrequenz. Ist diese relativ hoch, z. B. 20 kHz, dann entsteht im Netz k?ine nennenswerte Verzerrungsblindleistung mehr.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sieht vor, daß zwischen der Drossel und dem Ladekondeusator ein Transistor als getasteter Querschalter und eine Längsdiode in dieser Reihenfolge liegen, daß der Steuereingang des Transistors mit dem Ausgang eines Pulsgenerators verbunden ist, an dessen Eingang eine der Ausgangsspannung des Gleichrichters proportionale Spannung gelegt ist, wobei diese Spannung die Dauer der Ausgangsimpulse des l'ulsgenerators bestimmt.
Vorteilhaft dabei isi, wenn die Eingangsspanniing des Pulsgenerators einem Spannungsteiler am Ausgang des Gleichrichters entnommen wird, wobei in Reihe zu dem Spannungsteiler eine Drossel liegt.
Die abgegriffene der Glcichrichterspannung analoge
Spannung als Eingangsspannung for den Pulsgenerator moduliert dessen rechteckpulsförmige Ausgangsspannung Ober eine Pulsdauermodulation (PDM). Dadurch entsteht für den Transistor ein der Gejeichrichterspannung analoges Tastverhältnis. Der Ladekondensatorstrom fließt während der Sperrzeit des Transistors; das ist die Entladephase der Drossel. Der Gleichrichterstrom setzt sich aus diesem und aus dem während der Flußzeit des Transistors — das ist die Ladephase der Drossel — flieCenden Transistorstrom zusammen. Der Drosselstrom ergibt dann den gewünschten Gleichrichterstromverlauf, der im wesentlichen der Gleichrichterspannung folgt
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß die Spannung am Ladekondensator die Eingangsspannung des Pulsgenerators dadurch beeinflußt, daß sie einen der Spannungsteilerwiderstände steuert Insbesondere ist vorgesehen, daß die Spannung am Ladekondensator über einen Operationsverstärker mit einer Referenzspannung verglichen wird und daß der 2» Ausgangsstrom des Operationsverstärkers über eine Leuchtdiode einen Fotowiderstand steuert, der als Teilwiderstand im Spannungsteiler liegt
Damit kann das gesteuerte Tastverhältnis zu-n Zweck einer Spannungsregelung am Ladekondensator benutzt 2-, werden. D. h. die Ladekondensatorspannung liefert für die analoge Modulation der Pulsgeneratorausgangsspannung eine Führungsgröße.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung steht vor, daß der Laststrom die Eingangsspannung des Pubgenera- in torr. dadurch mitbestimmt, daß der Gleichrichterausgangsstrom an einem ohmschen Widerstand eine Spannung erzeugt, die in einem Operationsverstärker mit der geteilten Gleichrichterausgangsspannung verglichen wird, wobei dieser Operationsverstärker dem r> Pulsgenerator die Eingangsspannung liefert.
Damit ist auch der verbrauchte Gleichstrom in die Regelung einbezogen. Man erhält so eine geregelte Gleichspannung am Ladekondensator, die unabhängig ist von Netzspannungs- und Laststromschwankungen. 4» Ein am Ladekondensator angeschlossenes Schaltnetzteil als Beispiel für einen Gleichstromverbraucher braucht dann keinen Eingangsspannung;hub mehr auszuregeln. Das Schaltungskonzept für dieses Schaltungsnetzteil kann deswegen erheblich einfacher ausfal- r> len.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
An eine Netzwechselstromquelle 1 ist über ein Funkentstörfilter 2 ein Brückengleichrichter 3 geschaltet, der eine kommutierte Netzwechselspannung liefen, d.h. eine Gleichspannung mit überlagerter doppelter Netzwechselfrequenz. Parallel zum Gleichspannungs- v> anschluß des Brückengleichrichters 3 liegt die Reihenschaltung einer Drossel 4 und zwei ohmscher Widerstände 5 und 6. Parallel zum ohmschen Widerstand 6 liegt die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes 7 mit einem Fotowiderstand 8 als Bestandteil eines mi Optokopplers. Eine der beiden Gleichstromklemmen des Brückengleichrichters 3 ist über eine Drossel 9 mit dem Kollektor eines Transistors 10 verbunden. Die andere Gleichstroniklcmme liegt über einem ohmschen Widerstand 11 am Emitter des Transistors 10. Weiter ·■-■ führt eine Diode 12 vom Kollektor des Transistors 10 zu einem der Anschlüsse eines Ladekondensators 13. dessen anderer Anschluß mit dem Emitter des Transistors 10 verbunden ist Parallel zum Ladekondensators 13 liegen ein Verbraucher 14 und zwei Reihenschaltungen als Spannungsteiler. Die eine Reihenschaltung besteht aus einem ohmschen Widerstand 15 und einer Z-Diode 16, die andere aus zwei ohmschen Widerständen 17 und 18. Beide Spannungsteilerpunkte sind jeweils mit einem von zwei Eingängen eines Operationsverstärkers 19 verbunden. Dessen Ausgang führt über eine Lumineszenzdiode 20 zum Emitter des Transistors 10. Die Lumineszenzdiode 20 ist als zweiter Bestandteil des Optokopplers optisch mit dem Fotowiderstand 8 gekoppelt Der Verbindungspunkt des ohmschen Widerstands 7 mit dem Fotowiderstand 8 einerseits und der Emitter des Transistors 10 andererseits führen zu den Eingängen eines Operationsverstärkers 21. Dessen Ausgang liegt am Modulatoreingang eines pulsdauermodulierten Pulsgenerators 22. Die Basis des Transistors 10 ist mit dem Ausgang des Pulsgenerators 22 verbunden. Die vom Brückengleichrichter 2 gelieferte mit doppelter Netzfrequenz überlagerte Gleichspannung liefe- i bei leitendem Transistor 10 einen Strom, dessen Anstieg von der Größe der Drossel 9 bestimmt wird. Die Drossel 9 nimmt dabei Energie auf, die sie bei abnehmendem Strom, nachdem der Transistor 10 gesperrt ist, über die Diode 12 in den Ladekondensator 13 abgibt. Das geschieht periodisch mit der Frequenz von beispielsweise 20 kHz des vom Pulsgenerator 22 gelieferten Rechteckpulses. Dabei bestimmt der momentane Wert der Gleichrichterspannung die Einichaltdauer des Transistors 10, so daß im wesentlichen der Transistorstrom den Gleichrichterstrom bestimmt Für den Ladekondensator 13 ergibt sich dann ein kommutierter sinusförmiger Ladestrom mit Lücken im 20 kHz-Takt. Insgesamt entsteht ein Verlauf für den Gleichrichterstrom, der im wesentlichen der Gleichrichterspannung folgt und damit einem Sinusverlauf. In der Zeichnung ist dies schematisch für den (unkommutierten) Eingangsstrom /und für die (unkommutierte) Eingar.gsspInnung »angedeutet.
Die Operationsverstärker 19 und 21 ermöglichen eine Regelung der Ladekondensatorspannung. Diese wird im Operationsverstärker 19 verglichen mit einer von der Z-Diode 16 gelieferten Referenzspannung. Eine Regelabweichung läßt über den Optokoppler 8, 20 das Spannungsteilerverhältnis der Widerstände 7, 8 verändern und liefert für den Operationsverstärker 21 das eine Eingangssignal. Dieses ist proportional der vom Brückengleichrichter 3 gelieferten Spannung über den Spannungsteiler aus den Widerständen 5, 6, wobei die Drossel 4 eine Filterung der kommutierten Wechselspannung vornimmt. Dieses Eingangssignal bildet die Führungsgröße für eine Stromregelung. Im Operationsverstärker 21 wird mit der Fübrungsgröße als Sollwert das andere Eingangssignal, das aus der vom Laststrom am ohmschen Widerstand 11 erzeugten Spannung besteht, verglichen.
Das vom Operationsverstärker 21 an den Pulsgenerator 22 gelieferte Signal zur Pulsdauermodulation des Rechteckpulses und zur Bestimmung des Tastverhältnisses für den Transistor 10 ist dann ein der Gleichrichterspannung analoges Steuersignal, jusgeregelt hinsichtlich einer Abweichung der Ladekondensatorspamuing und des Glcichrichterstromes vom Sinusvcrlauf. Störgrößen durch Nct/.spannungsändcrungen oder Laständcrungeir wirken sich damit weder auf die Ladckondcnsatorspantuing und damit auf den angeschlossenen Verbraucher noch auf den Netzweihsel-
strom aus. Der NiM/wechselstrom bleibt stets im wesentlichen sinusförmig und folgt der Net/wechsclspannung. Anstelle des Optokopplers 8, 20 kann auch jeder andere durch eine elektrische Größe kontinuierlich änderbare lineare Widerstand wie beispielsweise ein I eldplattenwiderstand verwendet werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche;
1. Schaltungsanordnung zum Verringern von Oberwellen im Netzwechselstrom bei Gleichstromverbrauchern mit parallelem Ladekondensator, die aus einem Wechselstromnetz Ober einen Gleichrichter mit Drossel gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß sich zum Erzwingen eines der Gleichrichterspannung im wesentlichen folgenden Gleichrichterstroms parallel zu der Reihenschaltung aus Gleichrichter (3) und Drossel (9) und parallel zu dem Ladekondensator (13) ein mit wesentlich höherer Frequenz als die Netzfrequenz getasteter Schalter befindet, der den über die Drossel (9) fließenden Gleichrichterstrom schaltet, wobei die Ausgangsspannung des Gleichrichters (3) das Tastverhältnis des Schalters bestimmt
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Drossel (9) und dem Ladekondensator (13) ein Transistor (IU) als getasteter tjuer-Schalter und eine Längsdiode (12) in dieser Reihenfolge liegen, daß der Steuereingang des Transistors (10) mit dem Ausgang eines Pulsgenerators (22) verbunden ist, an dessen Eingang eine der Ausgangsspannung des Gleichrichters (3) proportionale Spannung gelegt ist, wobei diese Spannung die Dauer der Ausgangsimpulse des Pulsgenerators (22) bestimmt
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung des so Pulsgenerators (22) einem Spannungsteiler (5,6,7,8) am Ausgang 4es Gleichrichters (3) entnommen wird, wobei in Reihe zu dem Spannungsteiler (5, 6) eine Drossel (4) liegt
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch is gekennzeichnet daß die Spannung am Ladekondensator (13) die Eingangsspannung des Pulsgenerators (22) dadurch beeinflußt daß sie einen der Spannungsteilerwiderstände (5,6,7,8) steuert.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Ladekondensator (13) über einen Operationsverstärker (19) mit einer Referenzspannung verglichen wird und daß der Ausgangsstrom des Operationsverstärkers (19) über eine Leuchtdiode (20) einen Fotowiderstand (8) steuert, der als Teilwiderstand im Spannungsteiler (5,6,7,8) liegt
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laststrom die Eingangsspannung des Pulsgenerators (22) dadurch ·> <> mitbestimmt, daß der Gleichrichterausgangsstrom an einem ohmschen Widerstand (11) eine Spannung erzeugt die in einem weiteren Operationsverstärker (21) mit der geteilten Gleichrichterausgangsspannung verglichen wird, wobei dieser Operationsver- v, stärker (21) dem Pulsgenerator (22) die Eingangsspannung liefert
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