DE3410379A1

DE3410379A1 - Spannungsverdopplerschaltung

Info

Publication number: DE3410379A1
Application number: DE19843410379
Authority: DE
Inventors: William L. Grass Valley Calif. Rorden
Original assignee: Grass Valley Group Inc
Current assignee: Grass Valley Group Inc
Priority date: 1983-03-28
Filing date: 1984-03-21
Publication date: 1984-10-11
Also published as: GB8407168D0; JPS59181970A; GB2137442A

Description

Spannungsverdopplerschaltung

Die meisten elektronischen Geräte einschließlich digitaler Computer arbeiten mit Gleichspannungen, weshalb die Umwandlung einer Netzwechsel spannung in eine Gleichspannung erforderlich ist, um solche Geräte zu betreiben. Üblicherweise wird bei der Umwandlung als erster Schritt die Netzwechselspannung gleichgerichtet und ein Gleichspannungs-Ausgangssignal mit einer ungeregelten Gleichspannung erzeugt. Da die Netzwechselspannung häufig entweder 120 oder 240 V R.M.S. beträgt ist es wünschenswert, eine nominell konstante Gleichspannung desselben Wertes zu erzeugen, unabhängig davon, welche Wechselspan

nung verfügbar ist.

Eine wohlbekannte Waradlerschaltung ist die in Fig. 1 dargestellte VollweCllen-Brückengleichrichterschaltung, deren Gleichspannung einen Wert gleich dem Mittelwert der Netzwechsel Spannung aufweist. In Fig. 2 ist eine bekannte Wandlerschaltung dargestellt, welche eine ohne Last gemessene Gleichspannung mit einem Wert gleich dem Spitze-SpitzeWert der Netzwechsel spannung erzeugt. In Fig. 3 ist eine weitere bekannte Schaltung dargestellt, die eine ohne Belastung gemessene Gleichspannung erzeugen kann, deren Wert entweder dem Spitzenwert der Netzwechselspannung oder dem Spitzen-Spitzenwert entspricht, abhängig von der Stellung des Schalters. Wegen der geringen Impedanz des Wechselstrompfades in der Schaltung gemäß Fig. 3 tritt in unvorteilhafter Weise ein hoher Spitzenstrom auf, bevor die Filterkondensatoren vollstän-

Ol dig geladen sind. Es ist jedoch äußerst wünschenswert, den Spitzenstrom so niedrig wie möglich zu halten und den Spitzenwertfaktor, der definiert ist als das Verhältnis der Werte von Spitzenstrom zum Durchschnittsstrom, zu minimalisieren. Ein Grund hierfür ist darin zu sehen, daß Bestimmungen in mehreren europäischen Ländern nunmehr die maximale Oberwellenleistung angeben, die ein Abnehmer in ein öffentliches Wechsel Spannungsversorgungsnetz zurückreflektieren darf, und dieses begrenzt dadurch den maximalen Spitzenwertfaktor für die Verbraucher des Abnehmers. Ein anderer Grund ist der, daß ein hoher Spitzenstrom häufig die Schutzschaltung eines nicht unterbrechbaren Stromversorgungsgerätes aktiviert, welches mit dem versorgten Gerät verbunden ist.

Die Erfindung steht daher unter der Aufgabe, eine Wandlerschaltung bereitzustellen, welche die Beschränkungen bekannter Schaltungen nach dem Stande der Technik überwindet und den voranstehenden Bestimmungen und Gegebenheiten Rechnung trägt.

Die Erfindung wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Gemäß der Erfindung wird im Einklang mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Spannungsverdopplerschaltung mit geringem Spitzenwertfaktor bereitgestellt. Diese Schaltung erzeugt ein Gleichspannungs-Ausgangssignal, dessen Wert gleich dem Durchschnittswert der Eingangswechselspannung ist (Fig. 6, Schalter 25 offen) oder gleich dem doppelten des Mittelwertes der Eingangswechselspannung (Fig. 5 und 6, Schalter 25 geschlossen). Die Spannungsverdopplerschaltung umfaßt eine" Diodenbrücke, die mit einem Paar von Filterkapazitäten über eine Doppelwicklungsbegrenzungsinduktivität verbunden ist. Bei geöffnetem Schalter (Fig. 6) wird eine wechselstrombegrenzte Ausgangsgleich-

spannung erzeugt, deren Wert gleich dem Mittelwert der Eingangswechselspannung ist. Bei geschlossenem Schalter (Fig. 6 oder Fig. 5 ohne einen Schalter) sind die beiden Kapazitäten effektiv in Serie geschaltet, da die eine durch die positive HaJbwelle der Eingangswechsel spannung und die andere durch die negative Halbwelle des Eingangswechselspannungssignals geladen wird. Daher ist der Wechselstrom immer noch induktiv begrenzt, aber der Wert der Ausgangsgleichspannung ist gleich dem zweifachen Mittelwert der Eingangswechselspannung. In beiden Fällen weist die Schaltung die Regelcharakteristik eines Filters mit Drosseleingang auf.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus denen weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervorgehen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen bekannten Brückengleichrichter;

Fig. 2 eine bekannte Spannungsverdopplerschaltung;
5 Fig. 3 eine schaltbare Spannungsverdopplerschaltung.

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Gl eichspannungs-ZWechselspannungswandlersystems gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine Spannungsverdopplerschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche in dem in Fig. 4 dargestellten Wandlersystem Verwendung findet;

Oi Fig. 6 eine Spannungsverdopplerschaltung gemäß einer anderen bevorzugten AusfUhrungsform der Erfindung.

In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild eines Systems dargestellt, welches ein Netzwechsel Spannungssignal in ein geregeltes Gleichspannungssignal für ein elektronisches Gerät wie einen digitalen Computer umwandeln kann. Eine Quelle 1, die eine direkte oder induktive Kopplung an ein öffentliches Wechsel Spannungsversorgungsnetz sein kann, stellt ein Wechselspannungssignal bereit. Ein Spannungsverdoppler 3 richtet das Wechselspannungssignal gleich und erzeugt ein Gleichspannungssignal, dessen Wert gleich dem Mittelwert oder dem zweifachen Mittelwert des Wechselspannungssignals von Quelle 1 ist, je nach Wunsch. Typischerweise wird der doppelte Mittelwert des Wechselspannungssignals ausgesucht, wenn die Quelle 1 Spannung von 120 V R.M.S. bereitstellt und der einfache Mittelwert des Wechsel Spannungssignals wird ausgesucht, wenn die Quelle 1 eine Spannung von 240 V R.M.S. bereitstellt.

Ein Regler 5 ist vorgesehen, um den Wert der Ausgangsgleichspannung des Spannungsverdopplers 3 auf dem exakten, für Gerät 7 erforderlichen Spannungswert zu halten. Regler 5 kann jede einer größeren Anzahl bekannter Schaltungen sein. Gerät 7 kann jedes Gerät sein, wie ein digitaler Computer, das eine Gleichspannungsquelle benötigt. Spannungsverdoppler 3 und Regler 5 können extern oder intern bezüglich Gerät 7 angeordnet sein.

Fig. 5 zeigt einen Spannungsverdoppler 3, der ein Gleichspannungsausgangssignal von einem Wert erzeugt, der das zweifache des Mittelwerts des von Quelle 1 bereitgestellten Wechsel Spannungssignals beträgt. Von Quelle 1 wird ein Wechselspannungssignal an die in Serie geschalteten Dioden 13 und 17 gegeben. Dioden 13 und 17 sind

über Induktivität 31 mit den in Serie geschalteten Kapazitäten 27 und 29 verbunden. Der Verbindungspunkt der Kapazitäten 27 und 29 ist wiederum mit Quelle 1 verbunden. Diese Schaltung arbeitet 'auf die gleiche Weise wie die in Fig. 6 dargestellte Schaltung, wenn der Schalter 25 geschlossen ist. Eine Erläuterung der Betriebsweise wird nachstehend gegeben.

In Fig. 6 ist eine Spannungsverdopplerschaltung 3 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Von Quelle 1 wird ein Wechselspannungssignal von etwa 120 V oder 240 V R.M.S. an eine Brücke 11 aus vier Dioden 13,15,17 und 19 geliefert. Für eine typische Anwendung von 500 W können die vier Dioden 13-19 eine Brückengieichrichteranordnung vom Typ Motorola MDA 2504 darstellen. Über Induktivität 31 ist die Brücke 11 mit den in Serie geschalteten Kapazitäten 27 und 29 verbunden, welche beispielsweise elektrolyt!sehe Kondensatoren von 100 Mikrofarad bei 250 V Gleichspannung sein können. Die Induktivität 31 kann beispielsweise aus einem Kern (Arnold Engineering Co. AH-188) mit zwei Windungen (21,23) von je 420 Windungen, und einem Luftspalt zur Erzeugung einer Induktivität von 288 mHy mit den beiden Windungen 21 und 23 in Serienschaltung bestehen. Ein einpoliger Ausschalter 25 verbindet Brücke 11 und Quelle 1 mit dem Verbitidungsptmkt der Kapazitäten 27 und 29.

Liefert Quelle 1 ein Wechsel Spannungssignal von 240 V R.M.S., so ist Schalter 25 offen und das belastete SieichspannungsausgangssignaT vom Spannungsverdoppler 3 ist gleich 4em Mittelwert der Wechselspannung, etwa 216

Während der positiven Hai bw-elleQ des Wechsel spannungssignals geht der Strompfad von Quelle 1 durch Diode 13,

Spulenwindung 21, Kondensatoren 27 und 29, Spulenwindung 23, Diode 19 und zurück zur Quelle 1. Während der

. negativen Halbperiode führt der Strompfad von Quelle 1 durch Diode 15, Spulenwindung 21, Kondensatoren 27 und 29, Spulenwindung 23, Diode 17 und zurück zur Quelle 1. Daher wird der von Quelle 1 aufgenommene Spitzenstrom durch die Serienschaltung der Spulenwindungen 21 und 23 begrenzt. Die Ausgangsgleichspannung wird gefiltert und gespeichert durch die Serienschaltung der Kondensatoren 27 und 29.

Wenn die Quelle 1 ein Wechsel Spannungssignal von 120 V R.M.S. liefert-, ist Schalter 25 geschlossen und es wird wiederum ein Ausgangsspannungssignal, bei Belastung, mit einem Wert von 216 V erzeugt. Während der positiven Halbwelle des Wechsel Spannungssignals führt der Strompfad von Quelle 1 durch Diode 13, Spulenwicklung 21, Kondensator 27, Schalter 25 und zurück zur Quelle 1. Während der negativen Halbperiode führt der Strompfad von Quelle 1 durch Schalter 25, Kondensator 29, Spulenwicklung 23, Diode 17 und zurück zur Quelle 1. Daraus wird ersichtlich, daß durch die Spule 31 eine Strombegrenzung erfolgt, unabhängig von der Polarität des Wechselspannungssignals. Der Wert des Gleichspannungsausgangssignals bei Belastung ist gleich dem doppelten Mittelwert der Eingangswechselspannung, da die Kondensatoren 27 und 29

- i.._f effektiv in Reihenschaltung verbunden sind und jeder

»_r . : Kondensator unabhängig auf den Mittelwert der Eingangswechselspannung aufgeladen wird.

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Die in Fig. 6 dargestellte Schaltung wurde mit konstanter Belastung betrieben, wobei sich zeigte, daß sie eine konstante Leistung von 540 W abgeben kann. Der Bereich der Ausgangsgi eichspannuncj lag zwischen 180 bis 240 V für eine Eingangswechselspannung von entweder 100 bis 130 V

01 R.M.S. oder 200 bis 260 V R.M.S. Die Gleichstrombelastung war 3 Ampere bei 180 V oder 2,25 Ampere bei 240 V. Die Ausgangsgleichspannung stieg bis zum Maximalwert ohne Belastung unterhalb von 20 % des maximalen Ausgangsstro-

05 mes. Der Spitzenwertfaktor blieb unterhalb von 2 unter den voranstehend beschriebenen Betriebsbeschränkungen in Europa.

-M-

- Leerseite -

Claims

STRASSB & STOFFRßGEN

Patentanwälte · European Patent Attorneys

Dipl.-Ing. Joachim Stresse, München . nipl.-Phye. Dr. Hans-Herbert Stoffregen, Hanau Zweibrückenstraße 17 . D-8OOO München 2 (Gegenüber dem Patentamt) . Telefon (089) 22 2Βθβ . Telex B 22 084

The Grass Valley Group, Inc. München,. 21. März 1984 Grass Valley, CaI. (V.St.A.) pu-ks 14 527

Spannungsverdopplerschaltung

Patentansprüche

I./Wechselspannungs-ZGleichspannungswandler, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Empfang eines Wechselspannungssignals von einer ausgewählten Quelle (1), welches Wechsel Spannungssignal eine Wechselspannung und einen Wechselstrom umfaßt;

eine Gleichrichtervorrichtung (11; 13,17) zur gezielten Leitung der in positiver und negativer Richtung verlaufenden Halbwellen des Wechselspannungssignals;

eine an die Gleichrichtervorrichtung (11; 13,17) gekoppelte Strombegrenzungsvorrichtung (31) zur Begrenzung des Wechselstroms während jeder seiner beiden Halbperiöden;

eine Spet.chervorri chtung (27,29), die an die Strombegrenzungsvorrichtung (31) gekoppelt ist, zur Speicherung einer Gleichspannung, welche die Ausgangsgleich- | spannung des Wandlers darstellt.
2. Wechselspannungs-/Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungsvorrichtung (31) einen magnetischen Kern und ein Paar im wesentlichen äquivalen-

ter, um den Kern gewickelter Spulen (21,23) umfaßt, wobei eines der Enden jeder Spule über die Gleichrichtervorrichtung (11; 13,17) gekoppelt ist und die anderen Enden jeder Spule über die Speichervorrichtung (27,29) gekoppelt sind.
3. Wechselspannungs-/Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Speichervorrichtung (27,29) kapazitiv ist.
4. Wechselspannungs-/Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 1, 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Gleichrichtervorrichtung ein Paar in Serie geschalteter Dioden (13,17) umfaßt, deren jede Anode mit der Kathode der jeweils anderen verbunden ist, wobei die Verbindung der Dioden zur Kopplung an einen Anschlußpunkt der Wechselspannungsquel1e (1) ausgebildet ist, und daß die Speichervorrichtung ein Paar in Serie geschalteter Kondensatoren (27,29) von im wesentlichen gleichen Wert aufweist, daß die Verbindung der Kondensatoren (27,29) zur Kopplung an den anderen Anschlußpunkt der Wechselspannungsquel1e (1) ausgebildet ist, um eine Gleichspannung über dem Kondensatorenpaar (27,29) bereitzustellen, welche Gleichspannung einen Wert von dem' zweifachen des Mittelwertes der Wechselspannung aus der Wechselspannungsquelle (1) bei Belastung des Wandlers aufweist.
5. Wechselspannungs-/Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche,

d a d u rc h gekennzeichnet,
daß weiterhin eine Schaltvorrichtung (25) zur Auswahl des Wertes der Gleichspannung aus einem ersten und

Oi einem zweiten Wert vorgesehen ist, welche Gleichspannung in der Speichervorrichtung speicherbar ist.
6. Wechsel spannungs-/Glei ^spannungswandler gemäß Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Gleichspannungswert im wesentlichen gleich dem Mittelwert der Wechselspannung aus der Wechselspannungsquel1e (1) ist, wenn der Wandler belastet ist; und daß der zweite Gleichspannungswert im wesentlichen gleich dem zweifachen des Mittelwertes der Wechselspannung aus der Wechselspannungsquelle (1) bei Belastung des Wandlers ist.
7. Wechselspannungs-/Gleichspannungswandler gemäß Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Gleichrichtervorrichtung eine Diodenbrücke (11) umfaßt, welche zur Kopplung an einen Anschlußpunkt der Wechselspannungsquelle (1) ausgebildet ist;

daß die Speichervorrichtung ein Paar in Serie geschalteter Kapazitäten (27,29) von im wesentlichen gleichem Wert aufweist; und

daß eine Schaltvorrichtung (25) vorgesehen ist, welche zur Verbindung des anderen Anschlußpunktes der Wechselspannungsquelle zum Verbindungspunkt zwischen dem Paar von Kapazitäten (27,29) ausgebildet ist, zur Auswahl zwischen dem ersten und zweiten Gleichspannungswert.