DE7115756U

DE7115756U - Funk Entstordrossel

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Publication number: DE7115756U
Application number: DE19717115756
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-04-23
Filing date: 1971-04-23
Publication date: 1972-03-16

Description

/t'euerHng

Die -5-r-· betrifft eine Funk-EntstÖrdrossel mit einem aus verschiedenen Kernmaterialien zusammengesetzten Drosselkern, die insbesondere impulsartige Storspannungen, wie sie z.B.. von Phasenanschnittschaltungen hervorgerufen v/erden, abschwächt.

In der modernen Technik werden zur Steuerung der Energieaufnahme von Wechselstromverbrauchern, wie Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Motoren usw., in zunehmendem Maße steuerbare Halbleiter-Bauelemente, wie Thyristoren oder Triac, eingesetzt. Eine besonders einfache Schaltung zur kontinuierlichen Regelung der Leistungsaufnahme ist die sogenannte Phasenanschnittschaltung, die mit besonders wenigen Bauelementen realisiert werden kann.

Ein bedeutender Nachteil der Phasenanschnittschaltung besteht jedoch darin, daß in dein Augenblick, in dem das steuerbare Halbleiter-Bauelement vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand schaltet, sehr starke Funkstörungen erzeugt werden. Bein-Einschalten des Stromkreises springt nämlich der Strom innerhalb etwa einer Microsekunde von 0 auf seinen Endwert. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch bei jeder Halbwelle der icetsspannung.

Die Höhe der entstehenden Funkstorungen im Bereich der technischen Ruiidfunkfrequenzen ab 150 kHz ist abhängig von der Höhe des Stromsprunges und von seiner Steilheit. Da die Höhe des Stromsprunges durch die äußeren Bedingungen, wie Uetzspannimg, Wirklast urd Anschnittwinkel, festgelegt ist, besteht demnach

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nur noch die Möglichkeit, die Steilheit des Stromsprunges zu verringern. Hierzu wird in Serie zu dem steuerbaren Halbleiter-Bauelement eine Induktivität geschaltet. Zur Einhaltung der gesetzlichen Bestimmungen über die Punkentstörung wird dann noch zusätzlich ein Querkondensator zugeschaltet, so¹ daß man die übliche LC-Kombination erhält.

Eine solche Entstörkombination verringert zwar die Funkstörungen, bringt jedoch eine weitere Schwierigkeit mit sich. In durchgeschalteten, niederohmigen Zustand des Halbleiter-Bauelcaents bilden die- Drossel und der Kondensator einen Payaj Tt öl cAhie).jnirier·»·}. g_ Εβϊ" 2.S Tskt Seiner BpgftWflwy.frpniiPTiz die aufgrund der geforderten Entstorwirkung und der damit im Zusammenhang stehenden Größe der Baue-leraentewerte im Bereich zwischen 5 und 15 kHz liegt, einen zusätzlichen Strom durch das Halbleiter-Bauelenent treibt. Dabei kann es passieren, daß sich der Hetzwechselstrois und der Ausgleichsstrom momentan fast zu 0 ergänzen, so daß in diesem Augenblick das Halbleiter-Bauelement vom niederohnigen in den höchohmigen Zustand zurückschaltet, da sein Haltestrom unterschritten wird. Liegt

an der torelektrode des steuerbaren Halbleiter-Bauelements noch das Zündpotential, dann schaltet das Halbleiter-Bauelement nach Abklingen des Ausglelchsärones wieder in den niederohmigen Zustand zurück, wobei neuerdings Funkstörungen hervorgerufen * 25 werden.

Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch, da bei jedem Wiedereinschalten des Halbleiter—Bauelements auch die LC-Kombination erneut zu Schwingungen angeregt wird., Liegt jedoch kein Zündpotential mehr an der Steuerelektrode des Halbleiter-Schaltelementes, so bleibt; sein äochohiaiger Zustand auch nach Abklingen des AusgileichsärcHes erhalten, woäucrcb. aber auch der Lei— stungsübergang voe Hetz in den Verbraucher unterbrochen bleibt. In beiden 3etriebsiälle:n ist sonit durch die unumgänglich nö-"tige Zusefcaltung der Entstör-BaueleEsnte die einwandfreie Punk-

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tion des Ilalbleiter-Schaltelementes nicht mehr gewährleistet.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten muß man dafür sorgen, daß die relativ niederfrequenten Ausgleichschwingungen der Entstörkombination möglichst rasch abklingen, ohne daß die Entstörwirkung "bei hohen Frequenzen, das heißt "bei den technischen Rundfunkfrequenzen zwischen 150 kHz und etwa 300 MHz, verschlechtert wird.

wegerung

Der vorliegenden - liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Funk-TDntstördrossel für Phasenanschnittschaltungen mit Halbleiter-Bauelementen anzugeben, die den steilen Stromsprung beim Durchschalten des Halbleiter-Bauelementes verlangsamt, die die entstehenden Punkstörungen verringert und die die im niederohmigen Zustand des Halbleiter-Bauelementes - auftretenden Ausgleichströme zwischen Entstörkondensator und Drossel dämpft," ohne dabei jedoch den Fluß der elektrischen Leistung vom Netz zum Verbraucher unnötig zu behindern.

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Diese Aufgabe wird bei einer Punk-Entstördrossel mit zwei

'.' ringförmigen_; axial übereinandergestapelten Teilkernen dadurch gelöst, daß der eine Teilkern aus magnetisierbarem Eisenblech und der andere Teilkern aus einem Ferritring besteht und daß der Ferritring einen luftspalt aufweist.

Damit ergeben sich die Vorteile, daß billiges Blechmaterial mit hoher Sättigungsinduktion und damit geringerem Kernvolumen verwendet werden kann, das die Ausgleichsströme der Entstör-

., .30 kombination hinreichend dämpft, so daß ein größerer Kondensa-■ tor verwendet werden kann und daß die nichtlinearen Eigen-

siert werden. Es hat sich herausgestellt, daß die für die Wirkung von Entstördrosseln interessierenden Eigenschaften der handelsüblichen Elektroblech^ stark streuen, da die genormten

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Kenndaten nur auf die Verwendung bei 50 Hz abgestellt während es bei der vorliegenden Aufgabe auf die magnetischen Eigenschaften bei Impulsbeanspruehung ankommt. Diese V/erte v/erden jedoch von den Herstellern der handelsüblich*«! Bleche nicht geprüft. Es h&t sich nun überraschenderweise herausgestellt, daß durch einen Luftspalt im Perritring die unterschiedlichen Eigenschaften des Blechmaterials ausgeglichen werden können.

Der eine Teilkern der gemäßen Punk-Entstördroesel besteht vorteilhaft aus Elektroblech. Elektroblech ist das bekannte Blechmaterial, das für technische Transformatoren, Übertrager und Drosseln verwendet wird. Es besteht aus einer siliziumhaltigen Eisenlegierung.

Vorzugsweise besteht der Blechkern jedoch aus einem unlegierten Eisenblech, vorzugsweise aus Tiefziehblech. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß derartiges Blechmaterial, von dessen Verwendung für Wechselstrom in der Elektro technik bisher abgeraten worden ist, überraschenderweise für die Herstellung von Punk-Entstördrosseln besonders geeignet ist. Es ist außerdem wesentlich billiger als das übliche Elektroblech und läßt sich auch leichter "bearbeiten.

Vorzugsweise wird der eine Teilkern aus Blechringen zusammengesetzt. Es ist jedoch auch möglich, einen Bandringkern zu verwenden.

Vorteilhaft besitzt der andere Teilkern, der aus einem Perrlt ring besteht, einen Luftspalt. Dieser Teilkern kann völlig durehtreimt sein und aus zwei mit definiex^tem Luftspalt zusammengesetzten Ringhälften bestehen. Vorzugsweise ist der Ring aber nur an einer Stelle durchtrennend geschlitzt. Um die Gerauschentwicklung des Kernes infolge seiner Magnetostriktion gering zu halten, ist es zweckmäßig, den Kern nicht völlig

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durchtrennend zu schlitzen. Hierzu wird der Ferritring von der Innenseite her eingeschnitten.

Der Luftspalt ist vorzugsweise radial gerichtet, es ist je— doch auch jede anuere Richtung möglich. Auch kann man den Ferritring an mehreren Stellen einschneiden.

Vorzugsweise ist das Verhältnis der wirksamen Querschnitte von Ferritkern zu Blechkern nicht größer als 1:1. Dadurch bleiben die Kosten der erfindungsgeisäßen Funk-Entstördrossel niedrig.

*i e '-st & 'f t-* >j & s
Bei einer ogemäßen Funk-Entstördrossel für einen

Strca —gh 2,5 A, bei der der Kern einen Außenaureimiess.er von 34 sä und einen Innendurchmesser von 20 nun besitzt, der Fer~ ritring 3 εξ hoch ist und* der Kernquerschnitt des Ferritringes ein Drittel des gesamten Kernquerschnittes ausmacht, hat sich ein Luftspalt von 0,2 bis 0,3 inm Breite als vorteilhaft erwiesen.

/VSl^er'iinß

Anhand der Zeichnung soll die näher erläutert werden.

r 1 zeigt in geschnittener Darstellung eine ringförmige Funk-Sjrtsiördrossel. Der Drosselkern j_ besteht aus einem Teil- l<evn 2 aus 17 Blechringen und aus einem T'eilkern 3 aus Ferrit. Der Teilkern 3 weist eine Höhe von 3 bei auf und sein wirksamer Querschnitt macht ein. Drittel des gesamten Querschnittes des Drosselkernes J₁ aus. Der Drossell:em χ liegt in einem mit einen Deckel 7 verschlossenen Becher 4 auf Erhebungen 5 auf den Beeberboderi auf, die einstückig mit Lamellen 11 an den Wänden des Bechers 4 verbunden sind. Durch den zwischen den Erhebungen 5 verbleibenden Gang hat sich nach äera Aushärten elastisch bleibendes Gießharz 6, deis üur Verbesserung der V/är- ^leitfähigkeit etwa 40 ^ Quarzßehl beigefügt sind, über den

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Becher verteilt. Es füllt die Säume zwischen den Lamellen j 11 aus und ist zwischen die Blechringe des Teilkernes 2 und I zwischen die Teilkerne 2 und 3 eingedrungen, wodurch eine ] gute Geräuschdämpfung erreicht wird. Den mit dem Deckel 7 j verschlossenen Becher 4 umschließt eine zweilagige Wicklung 8 aus isoliertem Kupferdraht, die nach der ersten Lage
ihre Wickelrichtung, nicht aber ihren Y/ickelsinn ändert, so
daß der Wieklungsanfang 9 nicht überwickelt ist. Mit 10 ist
das Wicklungsende gekennzeichnet« An einer beliebigen Stelle
ist in den Teilkern 3 ein Luftspalt von 0,2 bis 0,3 mm Breite
eing e s chii ffen.

j Figur 2 zeigt Magne-tisierungskurven einer Drossel, deren Kern ]

1? Ringscheiben aus Elektrobleehmaterial zusammengesetzt ~ I ist* Auf der Ordinate eines rechtwinkligen Achsenkreuzes ist j die magnetische Induktion B, auf der Abszisse die magnetische ! Feldstärke H aufgetragen. Außerdem sind die beiden statischen j Eemanenzpunkte +B^ -and —B eingezeichnet. Man erkennt eine | schmale Hystereseschleife a und eine breite Hystereseschleife b. * Die Kurve a mißt man bei einer 50 Hz folgenden Ansteuerung des
Kernmaterials, die Kurve b dagegen bei hochfrequenter Ansteuerung (ca. 1 IiHz). Die Kurve c gibt die Verhältnisse wieder, wie sie sich bei der geiaäßen Verwendung als Funk-Entstördrossel ergeben: Zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet
sich das Kernmaterial z.B. in dem Remanenzpunkt +3 , solange
das steuerbare Halbleiter-Bauelement hochohmig ist. Wird das
Halbleiter-Bauelement nun plötzlich niederohmig, so versucht j der Strom innerhalb von ein bis zwei Microsekunden auf seinen j Endv/ert zu springen. Dieser Endwert ist im allgemeinen so groß, ]

daß das Kernmaterial in Sättigung gelangt. Infolge cTer großen ] Geschwindigkeit, mit der sie?! dabei die magnetische Feldstärke

ändert, kann das Kern™aterial jedoch nicht die quasistatische j Ma^netisierungskurve a, sondern muß die J.iagnetisierungskurve b

durchlaufen. Diese Verhältnisse gibt die Kurve c wieder. Vom ]

statischen Remanenζpunkt +B ausgehend springt die magnetische |

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Feldstärke Ή. -am einen gewissen Betrag» oJbne daß sich auch gleichzeitig die sagnetische JneuktiOoi B ändert. Das heißt, in diese= kurzen Augenblick -srird dem Strom fast kein induk— ι ti-rer Widerstand entgegengesetzt, die Drossel ivirkt für kurze Zeit nur als !Luftspule vna ohnseher Widerstand und kann daher auch den Pulsaiistieg nicht verzögern. Durch das fesgsge-säSe Einzufügen eines geschlitzten Ferritringes ist es gelungen, dieses Yerhalten wesentlich, zu verbessern.

Figur 3 zeigt eine typische Phasenanschsittschaltung zur kontinuierlichen Begelung der Leistungsaufnahn-e eines Verbrauchers. An die BetzanschliiSklessen wird-die Netzwechsalspannusp von 220 Y gelegt, Mit Hilfe eines Triac T v?ird die Leis fcuHgssiiTsslsae dss 'WB^hrs.Yioh.^'FS Y gesteuert. Ση Serie sss Triac 5 fliegt eine Funk—jgntstördrossel Ί3 und parallel zu den Anschl-aSkle^en ein Entstörkondensator C. TJza den Stros durch - die Drossel T in einen Oszillographen £) darstellen zu 'können, vrurde ein kleiner Widerstand H zu eier !Drossel D in Reihe gelegt.

Figur 4 zelfjt in starker zeitlicher Dehnung die Einschal tverhältnisse der in Figur 3 dargestellten Schaltung. In einem rechtwinkeligen Achsenkreuz ist a*af der Ordinate der Sti-om I durch die Drossel D, auf der Abszisse die jZeit t aufgetragen.

Zunächst befindet sich der Triac T iss hochohsigen Sustand.

Z-UEJ Zeitpunkt t_ß v/ird ei* in seinen niederohsigen Zustand übei— führt. Ist keine Fank-Sntstördrossel vorgesehen, so springt der Suro2 I innerhalb einer MicroSekunde von 0 auf den Endv/ert I^ entsprechend Kurve a. Man kann sich leicht vorstellen, daß bei eines derart stellen und hohen Sprung sehr starke Funkstörungen erzeugt v/erden.

Die Kurven b, c und d zeigen die Wirkung verschiedener Funk-Entstördrosseln. Verwendet man eine Drossel, deren Kern lediglieh aus Blechiaaterial besteht, so ergibt sich die Kurve b.

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Zum Zeitpunkt t_Q springt der Strom I von 0 auf einen Anlangswert I, , ähnlich wie es in Figur 2, Kurve c dargestellt ist. Von diesem Anfangswert ausgehend steigt der Strom zunächst langsam an, bis im Zeitpunkt t^ das Kernmaterial in Sättigung übergeht. Dem Laststrom I₃. überlagert sich der Ausgleichsstrom zwischen der Drossel D und dem Entstörkondensator C. Es folgt deshalb anschließend ein tiberschwingen des Drosselstromes über den Endwert Ij. Dieser Ausgleichsstrom klingt jedoch "wegen der magnetischen Verluste des Kernmaterials relativ schnell ab, so daß sich zum Zeitpunkt t.

der Endwert I-_r einstellt.

il

Zur Aufnahme der Kurve c wurde dem Kern ein geschlossener Ferritring hinzugefügt* Man sieht sofort₅ daß οer Anfangssprung des Stromes I^ zum Zeitpunkt t_Q etwa auf die Hälfte gegenüber I, reduziert ist.

Zur Aufnahme der Kurve d wurde der Ferritring mit einem 0,5 breiten Luftspalt versehen. Hierdurch wurde der Anfangssprung des Stromes I- noch wesentlich weiter reduziert. Auch gelangt der Spulenkern nicht schon zum Zeitpunkt t.. , sondern erst später zum Zeitpunkt tp in das Sättigungsgebiet, was zu einer weiteren Reduzierung der Funkstörungen führt. Es hat sich herausgestellt, daß die Kurve d erhalten bleibt, auch wenn das in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Elektroblech durch ein anderes, billigeres Blechmaterial ersetzt v/ird. Die Kurven b und c würden sich dagegen bei einem Y/echsel des Blechten ernfiöi,-/

materials wesentlich ändern. Durch den -egemäßen Ferrit ring mit Luftspalt ist es also auf einfache Weise möglich, auch Qualitätsuntersohiede des Blechmaterials auszugleichen.

4 Figuren
10 ansprüche

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Claims

ο C Ιη U Γ 2

1. Funk—Entstördrossel zur Bedämpfung der iispulsartigen Stör spannung en von Phasenanscanitt schaltung en, öle einen Kern aus mindestens zwei ringförmigen, axial übereinan-Gergestapelten Teilkernen besitzt, auf dem mindestens eine Wicklung aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Teilkern (2) aus magnetisierbares Eisenblech und der andere Teilleem (3) aus eineia Perritring "besteht und daB der Ferritring einen Luftspalt aufweist-

2. Funk:—Entstördrossel sach Anspruch 1, dadurch ge — kessseiciine^t = ä&S der eine !TeilLkern aus Slektrooleeh. besteht.

3- Puiik-Entstcrdrossel nach Anspruch "U dadurch gelcennae'iciiiiei; , daß der eine fEeilkern aus unlegiertem Bisenblech besteht.

4- Punfc-En^stördrossel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der eine Teilkern aus Tiefziehblech besteilt.

5. Funk-Bntstördrossel nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der eine Seilkern aus 31echringen zusammengesetzt ist.

6. Funk-Entstördrossel nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der luftspalt radial

verläuft.

1. Punk-Entstördrossel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Perritring einen Luftspalt besitzt, der das Kernaateria! nicht völlig durchtrennt.

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8. Punk-Entstördrossel nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß der Ferritring an mehreren Stellen eingeschnitten ist.

9. Punk-Entstördrossel nach Anspruch 1 "bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis der wirksamen Querschnitte von Ferritkern zu Blechkern nicht größer ist als 1:1.

10. Punk-Entstördrossel nach Anspruch 1 "bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß "bei einer 2,5 A Drossel mit einem Außendurchmesser des Kerns (1) von 34 mm einem Innendurchmesser von 20 mm, einer Höhe des Ferritringes (5) von 3 mm und einem Kernquerschnittsanteil des Perritringes (3) von 1/3, der luftspalt 0,2 "bis 0,3 "breit ist.

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