DE3833400A1

DE3833400A1 - Vorrichtung zur erzeugung einer geglaetteten gleichspannung aus einer wechsel- oder drehspannungsquelle sowie verfahren zur steuerung der relation zwischen der hoehe der wechsel- oder drehspannung und der hoehe der geglaetteten gleichspannung

Info

Publication number: DE3833400A1
Application number: DE19883833400
Authority: DE
Inventors: Manfred W Dr Ing Gekeler
Original assignee: Lust Electronic Systeme GmbH
Current assignee: Lust Electronic Systeme GmbH
Priority date: 1988-10-01
Filing date: 1988-10-01
Publication date: 1990-04-05

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer geglätteten Gleichspannung aus einer Wechsel- oder Drehspannungsquelle sowie ein Verfahren zur Steuerung der Relation zwischen der Höhe der Wechsel- oder Drehspannung und der Höhe der geglätteten Gleichspannung mit dieser Vorrichtung. Diese Relation kann innerhalb gewisser Grenzen gesteuert werden. Vorteilhaft eingesetzt werden kann die Vorrichtung in Anwendungsfällen wie insbesondere bei Schaltnetzteilen und Frequenzumrichtern, bei denen direkt aus dem Wechsel- oder dem Drehspannungsnetz gleichgerichtet wird und die Leistungen mit Werten zwischen etwa 100 W und einigen kW aufweisen.

Nach dem Stand der Technik sind Schaltungen bekannt, mit denen aus einer Wechsel- oder Drehspannungsquelle eine geglättete Gleichspannung erzeugt werden kann. Hierfür werden nach dem Stand der Technik folgende Anordnungen verwendet:

a) Ungesteuerte Gleichrichterschaltungen, ausgeführt bevorzugt als Diodengleichrichterbrückenschaltung mit nachgeschaltetem Glättungskondensator.
b) Die Spannungsverdopplerschaltung, die insbesondere bei Schaltnetzteilen kleiner Leistung gerne alternativ zu einer Gleichrichterbrückenschaltung eingesetzt wird, wenn die Geräte, außer mit 220 V, auch mit 110 V betrieben werden sollen.
c) Gesteuerte Gleichrichterschaltungen unter Verwendung von Thyristoren in Phasenschnittsteuerung.

In den Fällen a) und b) tritt der Nachteil auf, daß die Höhe der erzeugten Gleichspannung direkt von der Höhe der speisenden Wechsel- oder Drehspannung abhängt sowie daß die Höhe der geglätteten Gleichspannung abhängt vom entnommenen Laststrom, was zum Einsatz erheblicher Glättungsmittel (Kondensatoren) führen kann.

Der Fall c) vermeidet diese Nachteile, kann jedoch aufgrund der Phasenanschnittsteuerung nur Gleichspannungen erzeugen, die kleiner sind als die bei den Fällen a) und b) möglichen Werte.

Diese Anordnung ist außerdem sehr aufwendig und sehr teuer.

Die genannten Nachteile können vermieden werden, wenn einer ungesteuerten Gleichrichterschaltung (Fall a)) ein sogenannter Hochsetzsteller (englisch: boost converter) in geregelter Ausführung nachgeschaltet wird, der dann eine weitgehend netzspannungs- und laststromunabhängige Gleichspannung bereitstellt, deren Höhe oberhalb des Wertes liegt, der mit einer ungesteuerten Gleichrichterschaltung (Fall a)) erreichbar ist.

Diese Anordnung ist jedoch ebenfalls sehr aufwendig und sehr teuer.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache und kostengünstige Schaltungsanordnung, bzw. ein Gleichrichtungsverfahren anzugeben, die in der Lage sind, die genannten Nachteile weitgehend zu vermeiden, das heißt eine von Netzspannungsschwankungen und vom entnommenen Laststrom praktisch unabhängige, geglättete Gleichspannung zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst.

Bei dieser Ausbildung werden zu der üblichen Gleichrichterschaltung nur einige wenige Zusatzteile gebraucht, nämlich zwei Kondensatoren etwa derselben Kapazität, welche in Reihe geschaltet sind und zum Glättungskondensator parallel liegen und einen bidirektionalen elektronischen Schalter, beispielsweise einen Triac, der zwischen den Mittelabgriff der in Reihe geschalteten Kondensatoren und einen der Leiter der Wechsel- bzw. Drehspannungsquelle eingefügt ist.

Darüber hinaus kann der Glättungskondensator, wie noch gezeigt werden soll, entfallen. Weitere Einzelheiten zur Vorrichtung können den Unteransprüchen sowie der Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsbeispiele entnommen werden.

Diese Vorrichtung kann nach einem Verfahren betrieben werden, bei dem auf den bidirektionalen elektronischen Schalter eine Steuereinrichtung wirkt, die von der Wechsel- oder Drehspannungsquelle beaufschlagt wird. Dies kann nach dem Verfahren einer Phasenanschnittsteuerung geschehen, welche weiter im Sinne eines Regelkreises gesteuert werden kann.

Dadurch wird der Vorteil erzielt, daß die erzeugte geglättete Gleichspannung näherungsweise netzspannungs- und laststromunabhängig wird sowie daß der erforderliche Glättungsaufwand, das heißt der Aufwand an Kondensatoren, klein wird.

Weitere Einzelheiten des Verfahrens können den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung entnommen werden.

Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel;

Fig. 2, 3a, b, 4a, b, 5a, b Darstellungen zur Erläuterung der Wirkungsweise;

Fig. 6 ein geändertes Ausführungsbeispiel;

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel.

Die Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand des Ausführungsbeispiels Fig. 1 erläutert.

Gemäß Fig. 1 ist eine Gleichrichterschaltung (5) , ausgeführt als Diodengleichrichterbrückenschaltung, mit ihren wechselspannungsseitigen Anschlußpunkten (3 und 4) mit der Wechselspannungsquelle (I) verbunden, welche zum Beispiel durch das 220 V-50 Hz-Netz gebildet sein kann. An die gleichspannungsseitigen Anschlußpunkte (6 und 7) der Gleichrichterschaltung (5) ist ein Glättungskondensator (C ₀) angeschlossen. An die Anschlüsse (8 und 9) kann ein Verbraucher angeklemmt werden.

Insoweit entspricht die Einrichtung dem Stand der Technik.

Gemäß der Erfindung sind dem Glättungskondensator (C ₀) zwei weitere in Reihe geschaltete Kondensatoren (C ₁, C ₂) parallel geschaltet. Weiterhin ist ein bidirektionaler elektronischer Schalter (10), welcher im dargestellten Beispiel durch einen Triac gebildet ist, zwischen den Mittelabgriff der in Reihe geschalteten Kondensatoren (C ₁, C ₂) und einen der Leiter (1, 2) der Wechselspannungsquelle (I), hier beispielhaft den Leiter (2), eingefügt.

Wie unterhalb der gestrichelten Linie (A-A) eingezeichnet ist, kann der bidirektionale elektronische Schalter (10), im Beispiel ein Triac, durch eine Steuereinrichtung (11), welche mit der Wechselspannungsquelle (I) verbunden ist, zusätzlich gesteuert werden, so daß sich die im folgenden erläuterte Wirkung ergibt.

Dazu ist für die Fig. 2 zunächst angenommen, daß der bidirektionale elektronische Schalter (10) überhaupt nicht angesteuert wird, er also zu keinem Zeitpunkt elektrisch leitend ist. Die Vorrichtung wirkt dann gemäß dem Stand der Technik genau wie eine Gleichrichterschaltung, bestehend aus einer Diodengleichrichterbrückenschaltung mit nachgeschaltetem Glättungskondensator. Fig. 2 zeigt, wie dabei in bekannter Weise aus der Wechselspannung (20) die geglättete Gleichspannung (21) entsteht.

Für die Fig. 3 wird nun angenommen, daß der bidirektionale elektronische Schalter, hier der Triac, jeweils circa 8 ms nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung (20) mit einem kurzen Impuls angesteuert wird. Es bildet sich dann über den nunmehr leitfähigen Triac, die Kondensatoren (C ₁, C ₂, C ₀), den Gleichrichter (5) und die Wechselspannungsquelle (I) ein Stromfluß aus, welcher als Triacstrom (22) in Fig. 5b dargestellt ist und welcher zu einer Anhebung der geglätteten Gleichspannung (21) führt, wie in Fig. 5a gezeigt. Wird der Stromfluß durch den Triac, bedingt durch den zeitlichen Verlauf der Wechselspannung, wieder zu Null, so kehrt dieser in bekannter Weise in seinen sperrfähigen Zustand zurück.

Für Fig. 4 wurde weiterhin angenommen, daß der Triac jeweils circa 7 ms nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung (20) angesteuert wird. Fig. 4b zeigt, daß sich damit ein kräftigerer Stromfluß durch den Triac (22) ausbildet als in Fig. 3b dargestellt und daß sich somit eine weitere Anhebung der geglätteten Gleichspannung (21) ergibt (Fig. 4a).

Fig. 5 zeigt den Fall, daß der Triac permanent voll durchgesteuert ist. Es ergibt sich die maximale Anhebung der geglätteten Gleichspannung (22).

Aus der vorstehenden Erläuterung der in Fig. 2 bis 5 dargestellten Betriebsfälle wird deutlich, daß dieses erfindungsgemäße Verfahren bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Steuerung der Relation zwischen der Höhe der Wechselspannung und der Höhe der geglätteten Gleichspannung ermöglicht.

Insbesondere ist es möglich, diese Relation im Sinne einer Regelung so zu steuern, daß die geglättete Gleichspannung beispielsweise näherungsweise konstant bleibt, auch bei Schwankungen der Höhe der Wechselspannung oder der Größe des Laststromes.

Fig. 6 zeigt ein geändertes Ausführungsbeispiel. Als Spannungsquelle dient hier eine Drehspannungsquelle (IV), die mit den Leitungen (L 1, L 2 und L 3) mit den drehspannungsseitigen Anschlüssen der Gleichrichterschaltung (5) verbunden ist, an deren gleichspannungsseitigen Anschlüssen der Glättungskondensator (C ₀) angeschlossen ist. Erfindungsgemäß sind dem Glättungskondensator (C ₀) wiederum zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren (C ₁, C ₂) parallel geschaltet. Der bidirektionale elektronische Schalter (10) ist zwischen den Mittelabgriff der in Reihe geschalteten Kondensatoren (C ₁, C ₂) und einen der Leiter der Drehspannungsquelle (IV), hier beispielhaft den Leiter (L 3), eingefügt.

Gemäß Fig. 7 kann der bidirektionale elektronische Schalter (10) auch mit dem Nulleiter (30) der Drehspannungsquelle (IV) verbunden sein, sofern dieser vorhanden ist, wie es bei deutschen Drehspannungsnetzen im allgemeinen der Fall ist.

Die Wirkungsweise der Anordnungen nach Fig. 6 und Fig. 7 entspricht der des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1. Auf eine nochmalige Erläuterung wird deshalb verzichtet.

Zur Begrenzung von Stromanstiegsgeschwindigkeiten kann vorteilhaft eine Induktivität in Reihe mit dem bidirektionalen elektronischen Schalter (10) angeordnet werden.

Im übrigen wird darauf hingewiesen, daß der Glättungskondensator (C ₀) bei der erfindungsgemäßen Ausbildung vollkommen entfallen kann. Seine Glättungswirkung wird dann durch die zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren (C ₁, C ₂) übernommen.

Grundsätzlich ist auszuführen, daß die Einrichtung sehr vielseitig verwendbar ist. Gegenüber den bekannten ungesteuerten Gleichrichterschaltungen erfordert sie nur einen geringfügigen und kostengünstigen Mehraufwand. Sie erzeugt dafür eine geglättete Gleichspannung, welche in ihrer Höhe mit sehr guter Näherung unabhängig ist von Schwankungen der Höhe der Wechsel- bzw. Drehspannung (Netzspannungsschwankungen) und von der Größe des entnommenen Laststromes.

Bezugszeichenliste

2 eine Leitung
3 Anschlußpunkt
4 Anschlußpunkt
5 Gleichrichterschaltung
6 Anschlußpunkt
7 Anschlußpunkt
8 Anschlußpunkt für Verbraucher
9 Anschlußpunkt für Verbraucher
10 bidirektionaler elektronischer Schalter
11 Steuereinrichtung
20 Wechselspannung
21 geglättete Gleichspannung
22 Triac-Strom
30 Nulleiter
I Wechselspannungsquelle
IV Drehspannungsquelle
L 1 Leitungen der Drehspannungsquelle
L 2 Leitungen der Drehspannungsquelle
L 3 Leitungen der Drehspannungsquelle
C₀ Glättungskondensator
C₁ Kondensator
C₂ Kondensator

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer geglätteten Gleichspannung aus einer Wechsel- oder Drehspannungsquelle, bei der der Spannungsquelle eine Gleichrichterschaltung nachgeschaltet ist, vorzugsweise in Form einer Diodengleichrichterbrückenschaltung mit nachgeschaltetem Glättungskondensator, dadurch gekennzeichnet, daß dem Glättungskondensator (C ₀) zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren (C ₁, C ₂) parallel geschaltet sind und daß ein bidirektionaler elektronischer Schalter (10) zwischen den Mittelabgriff der in Reihe geschalteten Kondensatoren (C ₁, C ₂) und einen der Leiter der Wechsel- bzw. Drehspannungsquelle eingefügt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem bidirektionalen elektronischen Schalter (10) eine Induktivität eingefügt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Gleichrichterschaltung vorgesehene Glättungskondensator (C ₀) entfällt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe liegenden Kondensatoren (C ₁, C ₂) etwa dieselbe Kapazität aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bidirektionale elektronische Schalter durch einen Triac oder durch eine Antiparallelschaltung zweier Thyristoren oder durch eine Kombination von Transistoren oder dergleichen gebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Leiter der Drehspannungsquelle, mit dem der bidirektionale elektronische Schalter (10) verbunden ist, der Nulleiter der Drehspannungsquelle verwendet ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung einzelner oder mehrerer der genannten Merkmale.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf den bidirektionalen elektronischen Schalter (10) eine Steuereinrichtung (11) wirkt.

9. Verfahren zur Steuerung der Relation zwischen der Höhe der Wechsel- oder Drehspannung und der Höhe der geglätteten Gleichspannung bei der Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung von der Wechsel- oder Drehspannungsquelle beaufschlagt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der bidirektionale elektronische Schalter durch die Steuereinrichtung nach dem Verfahren einer Phasenanschnittsteuerung angesteuert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenanschnitt im Sinne eines Regelkreises gesteuert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der bidirektionale Schalter (10) zur Erzeugung einer Änderung der geglätteten Gleichspannung voll durchgeschaltet wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch die Verwendung einzelner oder mehrerer der genannten Merkmale.