DE3342011C2 - Tiefpaßfilter für elektrische Verbraucher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tiefpaßfilter für elektrische Verbraucher, wie AC/DC-Wandler, mit einer Gleichrichterschaltung und mindestens einem am Gleichspan­ nungsausgang vorgesehenen Kondensator, sowie mindestens einer der Gleichrichterschal­ tung vorgeschalteten, in einer Versorgungsleitung für die Gleichrichterschaltung angeord­ neten Drosselspule mit mindestens einer Wicklung und einem Eisenkern, wobei das Ende der Wicklung der Drosselspule über einen Kondensator mit der zweiten Versorgungslei­ tung für die Gleichrichterschaltung verbunden ist (DE-29 50 411 A1).

Bekannte Gleichrichterschaltungen mit Glättungskondensatoren haben den Nachteil, daß sie eine ausgeprägte Netzrückwirkung aufweisen. Wird die Schaltung an die Netzspannung angeschlossen, so wird der Kondensator aufgeladen. Dieser Kondensator ist relativ groß bemessen, damit die Ausgangsspannung möglichst konstant gehalten werden kann. Bei angeschlossenem Verbraucher weist in der Folge der primärseitige Stromverlauf extreme Spitzen auf, welche ausgefiltert werden müssen, da die dadurch bedingten Oberwellen das Versorgungsnetz stören, insbesondere dann, wenn über das Netz hochfrequente Steuerim­ pulse gesandt werden, wie dies bei den heutigen Versorgungsnetzen üblich ist (Tonfrequenzgesteuerte Anlagen).

Zur Behebung dieser Nachteile wurden schon eisenbestückte Drosseln der Gleichrichter­ schaltung vorgelagert (DE 29 50 411 A1), auch in symmetrischer Anordnung. Diese Drosseln müssen extrem stark dimensioniert sein. Zusätzlich werden Kondensatoren vor­ gesehen. Diese Serienschaltung von Eisendrossel und Kondensator bilden einen Reihen­ schwingkreis, der zu erheblichen Spannungsüberhöhungen im Leerlauf führt.

Zur Reduzierung bzw. Unterbindung der Netzrückwirkung solcher Schaltungen wurden auch schon elektronische Filter entwickelt, wobei hier Halbleiterschalter verwendet wer­ den, die das Netz gleichmäßig belasten, wobei durch zusätzliche Anordnung von Induktivi­ täten und Kondensatoren eine mehr oder weniger konstante und lastunabhängige Gleich­ spannung gewonnen werden kann. Diese Schaltungen arbeiten mit Hochfrequenzimpulsen, deren Rückwirkung auf das Versorgungsnetz einen zusätzlichen aufwendigen Filtereinsatz fordern. Wenngleich durch diese bekannten Maßnahmen die Gleichspannung konstant ge­ halten werden kann und nur ein außerordentlich geringer Oberwellenanteil in das Versor­ gungsnetz gelangt und auch darüber hinaus mit solchen Schaltungen sogar noch zusätzli­ che Steuerungs- und Regelaufgaben gelöst werden können, liegt ihr Nachteil in ihrem außerordentlichen apparativen Aufwand, der nur mit hohen Kosten zu bewältigen ist.

In diesem Zusammenhang ist auch die vorbekannte, wechselspannungsgespeiste Gleich­ richterschaltung nach der US-PS 2 084 117 zu erwähnen, bei welcher Maßnahmen vorge­ sehen sind, um die von einer Wellung überlagerte Gleichspannung zu glätten. Bei dieser Schaltung ist die Leitung zum Verbraucher auf der Gleichspannungsseite über eine eisen­ bestückte Spule geführt. Über denselben Eisenkörper läuft auch die Leitung für den gleichspannungsseitig vorgesehenen Ladekondensator. Der hier in der Wicklung fließende Ladestrom für den Ladekondensator induziert in der Wicklung der Leitung für den Ver­ braucher eine Spannung, die dem der Gleichspannung überlagerten, welligen Verlauf ent­ spricht, dieser gegenüber jedoch phasenverschoben ist, so daß in der Leitung zum Ver­ braucher diese Wellung kompensiert wird. Diese vorbekannten Maßnahmen dienen also der Glättung der den Verbraucher speisenden Gleichspannung, wobei der durch die Art der Gleichrichtung bedingten überlagerten Wellung der Gleichspannung eine korrespondie­ rende, jedoch phasenverschobene Wellung überlagert wird. Diese Glättung der Gleich­ spannung hat jedoch auf die speisende Wechselspannung keinen wesentlichen Einfluß.

Die Erfindung geht nun von der erstskizzierten Schaltung aus und sie zielt auf eine Ver­ besserung der elektrischen Eigenschaften dieser Schaltung ab, wobei mit einem minimalen apparativen Aufwand die Lastabhängigkeit vermieden und die Filterwirkung in weitem Frequenzbereich verbessert werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt dadurch, daß die Wicklung der Drosselspule eine Anzapfung aufweist, welche mit der Gleichrichter­ schaltung verbunden ist und die Resonanzfrequenz des aus der Wicklung der Drosselspule und dem Kondensator gebildeten, parallel zur Gleichrichterschaltung liegenden Schwing­ kreises auf die zu dämpfende Frequenz abgestimmt ist. Damit wird aber auch die Güte des Schwingkreises verbessert, da der Verbraucher über eine Anzapfung angekoppelt ist.

Dank der erfindungsgemäßen Maßnahme ist es so möglich, an der Eingangsseite des Gleichrichters bzw. der wechselspannungsgespeisten Versorgungsseite desselben einen Schwingkreis hoher Güte zu schaffen mit geringstem apparativem Aufwand. Je höher die Kreisgüte, umso besser die Dämpfung der Stromspitzen jener Frequenzen, auf die dieser Schwingkreis abstimmbar ist. Je besser die Kreisgüte des Schwingkreises, umso ausge­ prägter ist sein Eigenresonanzverhalten, umso stärker lassen sich die unerwünschten Stromspitzen dämpfen. Die erfindungsgemäße Maßnahme bringt aber noch zusätzliche, überraschende Vorteile, wobei hier vor allem die niedrige Leerlaufspannung für den Gleichrichter zu erwähnen ist, dank der die vom Gleichrichter gespeisten elektronischen Bauteile auf niedrigere Nennwerte (Nennspannung) ausgelegt werden können. Die Höhe der zulässigen Nennspannungen für elektronische Bauteile bestimmt nämlich deren Preis, so daß danach getrachtet werden muß, die gleichspannungsgespeiste Schaltung mit elek­ tronischen Bauteilen mit möglichst geringer Nennspannung zu betreiben.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung liegt auch darin, daß die Wicklung der Drossel aus zwei hintereinander geschalteten Teilwicklungen besteht, zwischen welchen die Gleichrichterschaltung angeschlossen ist und der Eisenkern der Drossel mindestens einen die Achsen der Teilwicklung querenden Streusteg besitzt. Damit ist es möglich, höhere, oberhalb der Resonanzfrequenz liegende Oberschwingungsanteile stark zu dämp­ fen. Eine besonders starke Dämpfung für hohe Frequenzen, also für Frequenzen, die er­ heblich oberhalb der Resonanzfrequenz liegen, beispielsweise Störfrequenzen im Radio­ bereich wird dann erreicht, wenn in jeder der beiden Versorgungsleitungen für die Gleich­ richterschaltung eine Drossel mit angezapfter oder zweigeteilter Wicklung angeordnet ist, und die Wicklungsanzapfung mit der Gleichrichterschaltung verbunden ist, und die Enden der Wicklungen der Drossel über einen Kondensator miteinander verbunden sind, wobei die Wicklungen der Drosseln einen gemeinsamen Eisenkern aufweisen.

Um den Tiefpaßfilter konstruktiv einfach zu gestalten, ist es zweckmäßig, daß die Wick­ lungen der Drossel einen gemeinsamen Kern aufweisen, oder aber den Tiefpaßfilter so auszubilden, daß die beiden Wicklungen der Drossel unsymmetrische Anzapfungen, beziehungsweise unsymmetrische Teilwicklungen aufweisen.

Um höhere, oberhalb der Resonanzfrequenz liegende Oberschwingungsanteile stark zu dämpfen und um die Anordnung darüber hinaus symmetrisch zu gestalten, ist ferner vor­ gesehen, daß mindestens eine Wicklung einer Drossel zwei in Reihe geschaltete Teilwick­ lungen aufweist und der Eisenkern mindestens einen die Achsen dieser Teilwicklungen querenden Streusteg aufweist. Zur Erzielung einer extremen Filterwirkung bezüglich einer Frequenz oder aber bezüglich mehrerer unterschiedlicher Frequenzen sind der Gleichrich­ terschaltung mehrere Drosseln mit angezapfter Wicklung und/oder mit Teilwicklungen und endseitig angeordneten Kondensatoren in Form einer Kaskadenschaltung vorgeschal­ tet.

Durch die Abstimmung der Resonanzfrequenz des aus Drossel und Kondensator bestehen­ den Schwingkreises auf ca. 164 Hz. kann mit einem einzigen Filter in Netzen mit 50 oder 60 Hz. Netzfrequenz gearbeitet werden, wobei in der Regel ausreichende Dämpfung erzielt werden kann.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine her­ kömmliche Schaltung, von der die Er­ findung ausgeht;

Fig. 2 den Stromverlauf auf der Netzspan­ nungsseite; die

Fig. 3 bis 7 und 10 bis 12 verschiedene Schaltungen in der erfindungsgemäßen Anordnung;

Fig. 8 den Stromverlauf bei der Schaltung nach Fig. 3 auf der Netz­ spannungsseite.

Zur Bezeichnung funktionell gleicher Teile sind in den einzelnen Figuren gleiche Hinweisziffern verwendet worden.

Fig. 1 veranschaulicht eine herkömmliche Schaltung. Ein Vierwegegleichrichter 1 ist über die beiden Versorgungs­ leitungen 2 und 3 mit einem Wechselspannung (AC) führenden Netz verbunden. In der einen Versorgungsleitung 3 liegt eine eisenbestückte Drossel 4, welcher ein Kondensator 5 zuge­ schaltet ist. Die Ausgangsleitungen 6 und 7 des Gleich­ richters 1 führen zu einem Gleichspannungs-(DC)-Verbraucher V, welchem ein Glättungskondensator 8 parallelgeschaltet ist.

Fig. 2 zeigt den netzseitigen Stromverlauf bei einer Gleich­ richterschaltung mit Ladekondensator, jedoch ohne Filter­ drossel.

Fig. 3 zeigt nun eine erste Ausführungsform einer erfindungs­ gemäßen Schaltung. Die eisenbestückte Drossel 4 besitzt eine Anzapfung 10, die mit der Gleichrichterschaltung 1 ver­ bunden ist. Das Ende der Wicklung der Drossel 4 ist über den Kondensator 11 mit der anderen Versorgungsleitung 2 ver­ bunden. Dabei kann die Induktivität der Drossel 4 beliebig groß gewählt werden, wobei die Induktivität auf die ausge­ prägteste Oberwelle abgestimmt werden kann, und zwar die Induktivität der gesamten Drossel. Fig. 8 zeigt nun den da­ durch erzwungenen Stromverlauf auf der Versorgungsseite dieser Schaltung.

Eine weitere Verbesserung bringt die Schaltung nach Fig. 4. Hier ist die Wicklung der Drossel 4 in zwei hintereinander­ geschaltete Teilwicklungen 4′ und 4′′ unterteilt, wobei der Anschluß 10 für die Gleichrichterschaltung zwischen diesen beiden Wicklungen liegt. Ferner besitzt der Eisenkern einen Streupfad 12, der zwischen den beiden Teilwicklungen 4′ und 4′′, und zwar quer zu deren Achse verläuft. Der aus Fig. 8 ersichtliche Zacken im Stromverlauf ist bei dieser Schal­ tung erheblich geglättet. Um Hochfrequenzeinflüsse zu ver­ meiden, wird die Anordnung zweckmäßigerweise symmetrisch aufgebaut, wie dies Fig. 5 zeigt, wobei hier die beiden Drosseln 4 und 40 einen gemeinsamen Eisenkern besitzen; Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung in Form einer Kombi­ nation der aus den Fig. 4 und 5 erkennbaren Schaltungsmaß­ nahmen. Weitere Kombinationen der aufgezeigten Schaltungs­ einzelheiten zeigen die Fig. 10, 11 und 12.

Schlußendlich veranschaulicht noch Fig. 7 eine Kaskadenschal­ tung, deren Wirkungsweise sich aus dem Gesagten unmittelbar für den Fachmann ergibt. Jeder Drossel 4, 40 ist ein Über­ brückungskondensator 11, 110 zugeordnet. Die Anzahl dieser L-C-Glieder kann noch beliebig vermehrt werden, wobei die einzelnen Drosseln 4, 40 bzw. Kondensatoren 11, 110 unter­ schiedliche Werte aufweisen können. Auch hier ist eine sym­ metrische Anordnung möglich, in dem in den beiden Zuleitun­ gen für die Versorgungsspannung Drosseln 4 bzw. 40 paarweise angeordnet sind. Ist die Resonanzfrequenz des aus Drossel 4, 4′-4′′, 40 und den Kondensatoren 11, 110 bestehenden Schwingkreises auf ca. 164 Hertz abgestimmt, so ist die Filterwirkung bei den beiden üblichen Netzfrequenzen von 50 bzw. 60 Hertz praktisch gleich. Das Gerät kann mit Gleichspannung oder mit Wechselspannung von 50 bis 60 Hertz betrieben werden.

Die Vorteile dieser Schaltungen haben Versuche hinreichend bestätigt. Im einzelnen sind diese Vorteile wie folgt zu be­ zeichnen: bestimmbarer, sehr kleiner Oberwellengehalt; hohe Hochfrequenzdämpfung, in der Regel ohne zusätzliche Filter; niedrige Leerlaufspannung; geringe Lastabhängigkeit; sehr niedrige Verluste und damit hoher Wirkungsgrad; hervor­ ragende Reduktion von Netzspannungstransienten; hoher Ton­ frequenzscheinwiderstand.

Werden in einem Schaubild in Abhängigkeit des Windungszahl­ verhältnisses die hier interessierenden Werte aufgetragen, so ergibt sich das Bild nach Fig. 9. Das Windungszahlver­ hältnis wurde ermittelt aus:

(w₁ + w₂)/w₁

wobei w₁ die Windungszahl ist, die (Fig. 3) zwischen dem netzseitigen Anschluß der Drossel 4 und dem Anschlußpunkt 10 der Gleichrichterschaltung liegt; w₂ ist die Windungszahl der Drossel 4 zwischen Anschlußpunkt 10 und Kondensator 11. Es bedeuten ferner:

U_o = Leerlaufspannung
L = Induktivität der Drossel 4
C = Kapazität des Kondensators 11
η = Leistungsfaktor
n.OW = Anteil der n-ten Oberwelle
N_v = Verlustleistung
WZV = Windungszahlverhältnis.

Dieses Schaubild macht deutlich, daß für ein bestimmtes Win­ dungszahlverhältnis der Anteil der dritten Oberwelle mini­ miert werden kann und daß bei der Abstimmung der Einrichtung auf diese dritte Oberwelle auch die weiteren ungeradzahligen Oberwellen-Anteile ganz erheblich zurückgehen.

Claims (7)

1. Tiefpaßfilter für elektrische Verbraucher, wie AC/DC-Wandler, mit einer Gleichrichterschaltung (1) und mindestens einem am Gleichspannungsaus­ gang vorgesehenen Kondensator (8), sowie mindestens einer der Gleich­ richterschaltung (1) vorgeschalteten, in einer Versorgungsleitung (3) für die Gleichrichterschaltung (1) angeordneten Drosselspule (4) mit mindestens einer Wicklung und einem Eisenkern, wobei das Ende der Wick­ lung der Drosselspule (4) über einen Kondensator (11) mit der zweiten Versorgungsleitung (2) für die Gleichrichterschaltung (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung der Drosselspule (4) eine Anzapfung (10) aufweist, welche mit der Gleichrichterschaltung (1) verbunden ist und die Resonanzfrequenz des aus der Wicklung der Drosselspule (4) und dem Kondensator (11) gebildeten, parallel zur Gleichrichterschaltung (1) liegenden Schwingkreises auf die zu dämpfen­ de Frequenz abgestimmt ist.

2. Tiefpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung der Drossel (4) aus zwei hintereinander geschalteten Teilwicklungen (4′, 4′′) besteht, zwischen welchen die Gleichrichterschaltung (1) ange­ schlossen ist und der Eisenkern der Drossel (4) mindestens einen die Achsen der Teilwicklungen querenden Streusteg (12) besitzt (Fig. 4).

3. Tiefpaßfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder der beiden Versorgungsleitungen (2, 3) für die Gleichrichter­ schaltung (1) eine Drossel (4, 40) mit angezapfter oder zweigeteilter Wicklung angeordnet ist, und die Wicklungsanzapfung (10) mit der Gleich­ richterschaltung (1) verbunden ist, und die Enden der Wicklungen der Drossel (4, 40) über einen Kondensator (11) miteinander verbunden sind, wobei die Wicklungen der Drosseln (4, 40) einen gemeinsamen Eisenkern aufweisen (Fig. 5, 6, 11, 12).

4. Tiefpaßfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungen der Drosseln (4, 40) unsymmetrische Anzapfungen (10) bzw. unsymmetrische Teilwicklungen aufweisen (Fig. 6).

5. Tiefpaßfilter nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Wicklung einer Drossel (4) zwei in Reihe geschaltete Teilwicklungen (4′, 4′′) aufweist und der Eisenkern mindestens einen die Achsen dieser Teilwicklungen (4′, 4′′) querenden Streusteg (12) aufweist (Fig. 4, 6, 10, 11, 12).

6. Tiefpaßfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichterschaltung (1) mehrere Drosseln (4, 40) mit ange­ zapfter Wicklung und/oder mit Teilwicklungen und endseitig angeordneten Kondensatoren (11, 110) in Form einer Kaskadenschaltung vorgeschaltet sind (Fig. 7).

7. Tiefpaßfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des aus Drossel (4, 4′-4′′, 40) und Konden­ sator (11, 110) bestehenden Schwingkreises auf ca. 164 Hertz abgestimmt ist.