NL8103063A - Voedingssysteem. - Google Patents

Description

**55^ * ψ ΡΗΝ 10.084 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Voedingssysteem"

De uitvinding heeft betrekking cp een voedingssysteem waarbij een ingangswisselspanning of -strocm wordt angezet naar gelijk-spanning of -strocm en waarbij de uitgang van een gelijkrichtschakeling via een afvlakfliter verbonden is met de uitgang van Het voedings-5 systeem.

Bij voedingssystemen van dit type doet zich het problem voor dat aan de ingangs- of primaire zijde, als gevolg van de werking van de gelijkrichtschakeling in samenwerking met het erop volgende afvlakfilter/ grote vervorming van de stroom resp. de spanning op-10 treedt.

De aard van de vervorming hangt daarbij af van het type gelijkrichter (enkel- of meerfasig) en ook van de gekozen configuratie van het afvlakfilter. Dit heeft tot gevolg, dat in het wisselstroan circuit, van waaruit het voedingssysteem de energie betrekt, hogere 15 harmcnischen worden opgewekt (netvervuiling).

Met name ook wanneer de wisselstroanbron zich op grote afstand van de verbruiker bevindt, bijvoorbeeld in geval van voeding-op-afstand van tussenversterkers of -regenerators in informatie trans-missiesystemen, kan deze vervorming leiden tot cnbruikbare spannings-- 20 of stroonvorm ter plaatse van de verbruiker.

De uitvinding beoogt een oplossing aan te geven voor boven-genoemd probleem en heeft als kenmerk het afvlakfilter een voor alle aan de ingang van het filter aangeboden freguentiecarpaienten een ge-lijke en reeele ingangsinpedantie vertoont.

25 De uitvinding zal beschreven worden aan de hand van de tekening, waarbij, als uitvoeringsvocrbeeld, een transformator aan de ingang van de schakeling wordt gevolgd door een middenaftak-dubbel-fasige gelijkrichter.

Figuur 1 geeft een eerste uitvoeringsvoorbeeld van een 30 voedingssysteem volgens de uitvinding weer.

Figuur 2 geeft een diagram weer ter verklaring van de resterende cptredende vervormingen aan de ingangen van de voedingssystemen volgens fig. 1 en fig. 3.

81 03 0 63 ΡΗΝ 10.084 2 ί· 1 «λΓ

Figuur 3 geeft een tweede uitvoeringsvoorbeeld weer van het voedingssysteem volgens de uitvinding.

Figuur 4 geeft een diagram weer ter verklaring van de rende-mentsverbetering van het voedingssysteem volgens fig. 3.

5 Figuur 5 geeft een aantal schakelingen weer behorende bij fig. 4.

Figuur 6 geeft een aantal varianten weer van te gebruiken afvlakfliters.

Figuur 7 geeft een derde uitvoeringsvoorbeeld weer van het 10 voedingssysteem volgens de uitvinding.

In het voedingssysteem volgens figuur 1 is I de ingangs-transforxnator, waarvan de primaire wikkeling 20 aansluitbaar is aan een wisselstroamr of wisselspanningsbran. De secundaire wikkeling 21 van de ingangstransformator I is verbonden met de ingangsklermen 1 en 2 15 van de gelijkrichtschakeling II. Tussen de ingangsklem 1 en de uitgangsklem 14 van de gelij krichtschakeling II is eengelijkrichtend element bijvoarbeeld de diode 4 aangebracht. Tussen de ingangsklem 2 en de uitgangsklem 14 van de gelijkrichtschakeling II is de diode 5 aangebracht. De middenaftakking 3 van de secundaire wikkeling 21 van de ingangs-20 transformator I is verbonden met de uitgangsklem 15 van de gelijkrichtschakeling II. Het filter III cravat dfesmoorspoel 6 net daaraan parallel de weerstand 11 en de condensator 7. De smoorspoel 6 zowel als de weerstand 11 zijn aangebracht tussen desuitgangsklem 14 van de gelijkrichtschakeling II en de uitgangsklem 12 van het voedings-25 systeem. Tussen de uitgangsklemonen 12 en 13 van het voedingssysteem is de condensator 7 aangebracht.

De belastingsweerstand 8 is eveneens verbonden met de uitgangsklerrmen 12 en 13 van het voedingssysteem. De weerstanden 11 en 8 hebben een weerstandwaarde van R ohms. De overige elementen 30 van het filter III zijn van zodanige waarde/ dat voldaan wordt aan de relatie C = R ' 1X2 = 27tfo (1) waarin L de grootte van de zelfinductie is van de spoel 6 en C de 35 grootte is van de capaciteit van de condensator 7 en f0 de resonantie-frequentie is van het filter III.

Doardat de gelijkrichtschakeling II aan zijn uitgangen 14 en 15 nu belast wordt met een zogenaamd constant R netwerk, zal nu aan de ingang 81 03 0 6 3 ΓΗΝ 10.084 3 t van het voedingssysteem alleen nog vervorming cptreden door het niet ideaal schakelen van de gelijkrichtschakeling II, hetgeen aan de hand van figuur 2 nader zal warden toegelicht. On een schatting van de vervorming van de ingangsstrocm of ingangsspanning te kunnen inaken, 5 stellen wedeingangsinpedantie eenvoudigheidshalve voor als de serie-schakeling van twee antiparallel geschakelde dioden 4 en 5 en een weer-stand R volgens relatie (1).

Aangesloten op een sinusvormige stroomhron zal de spanning over deze inpedantie een vorm vertcnen, zoals in figuur 2 is weerge-10 geven. In deze figuur is OC gelijk aan de uitstelspanning van de beide dioden 4 en 5 en E gelijk aan de piekwaarde van de optredende zuiver sinusvonnige spanning over de genoemde weerstand R. De optredende ver-vorming nu wordt veroarzaakt door het gearceerde aangegeven kanteel-voonige deel van de spanningsvorm. De airplituden a(n) van de grondgolf 15 en de bovenharmcnischen voldoen aan de relatie 40c it a(n) = . sin η -j- n = even —* a(n) = 0 (2)

Bij een uitstelspanning ot « 0,5 Volt is de amplitude van de grcnd-20 golf gelijk aan a(1) = 4^'- = 0,64 Volt.

Een eenvoudige berekening toont aan, dat de harmonische cnderdrukking van over de inpedantie staande spanning voldoet aan de relatie /3(V) = 20.1og(E+0,64) + 20.logdB (3) 25 Wordt de genoende inpedantie aangesloten op een sinus vonnige spanningsbron, dan zal de strocm welke door inpedantie vloeit de vorm hebben, zoals in figuur 2b is aangegeven, waarin E-&/R de piekstrocm is, welke door deze inpedantie vloeit. Men kan de strocm volgens figuur 5b opgebouwd denken uit een zuiver sinusvormige stroom, 30 verminderd met een nagenoeg trapeziuravormige stroom, zoals in figuur 2c is aangegeven. De optredende vervorming wordt nu veroarzaakt door het in figuur 2c gearceerd aangegeven trapeziuravormige deel van de strocm.

De anplituden a(n) van de grondgolf en de bovenharmcnischen voldoen aan de relatie 3a .(« - 4¾ . «η f T . (4, waarin p = arc sin oc/E. Een eenvcudige berekening toont aan, dat de harmcnischen cnderdrukking van de doer de inpendatie vloeiende strocm 8103063 r * ·» t EHN 10.084 4 .... voldoet aan de relatie |3(±) = 20.log (E-0,64) + 20.log + 20.log | | dB (5) 5 De laatste term in de relatie (5) is van weinig belang, zolang enn niet te hoog is.

In het uitvoeringsvoorbeeld volgens figuur 3 is de spoel 6 uit het uitvoeringsvoorbeeld volgens figuur 1 vervangen door een trans-formator 50. De primaire wikkeling 10 van. transformator 50 is aangebracht 10 tussen de uitgangsklem 14 van de gelijkrichtschakeling II en de uit-gangsklem 12 van het voedingssysteem. De punten 31 en 32 van de secundaire wikkeling 30 van de transformator 50 zijn via de respectieve dioden 33 en 34 verbonden met de uitgangsklem 39 van een tweede gelijkrichtschakeling IV. De middenaftakking 36 van de secundaire .

15 wikkeling 30 is verbonden met een derde uitgangsklem 16 van het voedingssysteem. Parallel aan een spoel 35 is een weerstand 38 gescha-keld tussen de uitgangsklem 39 van gelijkrichter IV en de vierde uitgangsklem 17 van het voedingssysteem. Een condensator 9 is geschakeld tussen de uitgangsklemnen 16 en 17 van het voedingssysteem. Aangesloten 20 aan de uitgangsklemmen 16 en 17 bevindt zich een tweede belastings-weerstand 11. De weerstanden 11 en 38 zijn van gelijke waarde R' en de overige elementen van filter V zijn van zodanige waarde dat wederom •voldaan wordt aan de relatie (1) waarin voor R nu R' geldt en L de grootte is van de zelfinductie van spoel 35 en C de grootte van de 25 capaciteit van condensator 9 en f de resonantiefrequentie is van filter V. Door het toepassen van een transformator 50 in caribinatie met een tweede gelijkrichttrap IV met een tweede afvlakfilter V wordt, na gewenste combinatie van de uitgangen 16 en 17 met de uitgangen 12 en 13 een groter rendement verkregen dan het geval is bij het voe-30 dingssysteem volgens figuur 1.

Dit zal nader worden uitgelegd aan de hand van figuur 4 en de figuren 5 a t/m c.

In de figuur 4 is door de getrokken lijn de vcon gegeven van de spanning aan de ingang van een constant-R afvlakfilter in het 35 geval dat de dubbelfasige gelijkrichter aangestuurd wordt vanuit een stroomhron met sinusvormig signaal. De gelijkspanningsinhoud bedraagt zoals bekend V^ = 2/ic x de topspanning.

8103063 ESN 10.084 5 * > ·'

In het diagram is de tqpspanning op een waarde 1 genormeeerd.

Het totale ingangsvermogen van het filter in figuur 5a tedraagt x ^ = ^ (= 1004) 5

Het gelijkstrocmvermogen wordt gedissipeerd in de belastingsweerstand Ho aan de uitgang van het filter en tedraagt PDC=^ = ^2X-S- = °'4053 · VKO (=81,06%) 10

Het wisselstrocmvennogen tedraagt PJC Tto - χΤΊΕ - °'0947 · VKO (= 18,94%) 15 Dit wisselstrocmvermogen wordt gedissipeerd in de weerstand R1 die aangesloten is aan de secundaire wikkeling van de transfoonator (50).

Zij de overzetverhouding van de transfoonator 50 gelijk aan 1 dan wordt de wisselspanning over deze weerstand R1 in grootte en vorm nagenoeg gelijk aan de wisselspanning aan de ingang van het filter, terwijl 20 deze waerstand R1 een evengrote weerstandswaarde als de weerstand Ro heeft. Het diagram fig. 4 geeft de golfvorm van deze wisselspanning door genoemd getrckken lijn met als nullijn de lijn evenwijdig aan de X-as van het diagram op een hoogte y = 2/χ . De oppervlakte 0 in het diagram laat zich berekenen door: 25 / TC/2r \ 0 = I 2 / sin x d x I - 2/7Γ (X-2 arcsin 2/7C) = 0,42103 V arc sin 2/% f

Het gelijkrichten volgens figuur 5b van deze wisselspanning levert een 30 spanning over R1 op als in de figuur 4 gegeven door de gearceerde vlakken 0.

De gelijkspanningswaarde wordt berekend volgens V'dc =^-= 0/26803 35 Door nu tussen de gelijkrichter en R1 wedercm een constant - R afvlakfilter te plaatsen zoals bijvoorbeeld in figuur 1 wordt het gelijkstroanvermogen gedissipeerd in de afsluitweerstand R1 van figuur 5c en het wisselstrocmvermogen (in het diagram van figuur 4 8103063 EHN 10.084 6 .. in spanningsgolfvorm aangeduid door de met stippels ingevulde vlakken) gedissipeerd in de weerstand R2. R2 heeft een waarde gelijk aan R1, terwijl de waarden van de spoel en de condensator wedercm gegeven warden door de relatie 5 ^ = R1R2 = R12

Is in de figuur 5c de transformatoroversetverhouding gelijk aan n=1 dan is R1 = R2 = Ro 10 en het vermogen gedissipeerd in R1 bedraagt dan p. = .Err;)2 = x -L = 0¾ = o 177 p

DC Ro %2 Ro DC U#,//FDC

15 Voegen we dit vermogen toe aan het in eerste gelijkrichting verkregen gelijkstrocmvermogen dan wordt het totaal verkregen gelijkstroanr vermogen PDC + P'dC = 1,177 PDC ^ 20 Het rendement van de totale gelijkrichtschakeling kcmt daarmede op 1,177 x 81,06% = 95,43¾ (s)

Teneinde dit samenvoegen te kunnen realiseren raoet de gelijkspanning over de weerstand R1 in figuur 5c gelijk gemaakt warden aan de 25 spanning over de weerstand Ro.

De spanning over Ro bedraagt = 2/tr 20

De spanning over R1 bedraagt V'^ = “ voor het geval n == 1 Door nu een transformator oversetverhouding te kiezen n = 1/0 = 2,3751 30 zal de spanning over R1 gelijk warden aan de spanning over Ro, waarbij de weerstanden R1 en R2 beide een waarde verkrijgen R1 = R2 = I/O2 x Ro = 5,6413 Ro

35 In figuur 3 zal aldus de waarde van elk der weerstanden 38 en 11 een grootte hebben van 5,6413 x R

wanneer gekozen wordt voor parallelschakelen van de klemmenparen 16 en 17 aan 13 en 12.

81 03 0 63 » -t EHN 10.084 7

De resulterende belastingsweerstand van het voedingssysteem heeft dan een waarde

*»= Ifml * Ϊ E = °-08494 E

5 Het samenvoegen van de twee genoemde gelijkstroairvermogens P^ en P'^, kan ook nog cp andere wijze geschieden bijvoarbeeld door de stroan door de weerstand R1 in figuur 5c gelijk te maken aan de stroom door de weerstand Ro.

, VDC

De stroan. door Ro bedraagt: = 10 De stroan doca: R1 bedraagt: l*TC = voor het geval n = 1

Door nu een transfermatarverhouding te kiezen n = 0 zullen de weerstanden R1 en R2 beiden een waarde moeten verkrijgen R1 = R2 = 0½} = 0,1773 Ro 15 De stroan door R1 bedraagt in dat geval t. =02¾) = 5e = r DC 3(¾- So -¾

Door in serie schakelen van R1 en Ro ontstaat nu de configuratie 20 van figuur 3 wanneer in die figuur klem 16 net klem 12 wordt verbonden.

In figuur 3 zullen aldus de weerstanden 38 en 11 elk een grootte hebben van

0,1772 x R

en de belastingsweerstand van het voedingssysteem met uitgangsklemmen 25 17 en 13 bedraagt dan

Rs = 1,1773 R

Tot hiertoe is niet gerekend met inachtnaning van vermogensverliezen die kunnen optreden in de transformator 50, de gelijkrichtelementen 33 en 34 en de spoel 35. Tezamengenonen kunnen deze verliezen beschouwd 30 warden als een niet nuttig truikbare weerstand r in serie met bijvoor-beeld de middenaftakking van de secundaire wikkeling van transformator 50. De hierdocr noodzakelijke afwijking van de gegeven theoretische transfeonatorverhouding en de wijziging in rendementswinst laten zich met goed vakmanschap qp eenvoudige wijze berekenen.

35 De ingangsinpedantie van filter III in figuur 3 is in deze twee gevallen steeds gelijk gebleven aan de ingangsimpedantie van filter III in figuur 1. Bij gelijke ingangsvermogens zal echter het uitgangsvermogen van het voedingssysteem volgens figuur 3 ten qpzichte 81 03 0 63 ΙΏΝ 10.084 8 ...... van het uitgangsvermogen van het voedingssysteem volgens figuur 1 een verhoging hebben als gegeven in de relaties (r) en (s).

In figuur 6 zijn een aantal filters van het constant-R type aangegeven, welke toepasbaar zijn in het voedingssysteem volgens de 5 uitvinding. Het filter III nit het voedingssysteem volgens figuur 1 qp het filter V uit het voedingssysteem volgens figuur 3, kan vervangen warden door &en der filters volgens de figuren 6a, 6b, 6c of 6d. Daarvan zijn figuur 6a en 6b zuivere constant-R netwerken terwijl figuur 6c resp. 6d daarvan zijn afgeleid door toelaatbare vereenvoudigingen 10 toe te passen. Hierbij moet qpgemerkt warden dat zuiver ccnstant-R gedrag meestal niet vereist wardt, cmdat uitsluitend een weerstand R ingang verlangd wardt voor de freguenties die door de gelijkrichter warden afgegeven.

In het algemeen is dat f=0 en f^2x de grondfrequentie van het wissel-15 stroomsginaal aan de ingang van het voedingssysteem.

In principe is het toepassen van nog hogere orde filters als afvlakfilter volgend op de gelijkrichter mogelijk. Uit praktische overwegingen lijkt dit echter duur vanwege de toe te voegen extra conponenten.

20 Het filter III uit het ^voedingssysteem volgens figuur 3 of het filter V uit het voedingssysteem volgens figuur 3 kan vervangen warden door een der filters III volgens de figuren 6e of 6f waarbij ten opzichte van de respektievelijke figuren 6a en 6b de spoel 60, en de weerstand 11 vervangen zijn door een transformator 50. De 25 secundaire wikkeling van transformator 50 is daarbij weer verbonden met de gelijkrichter IV. Ook hier is de toepassing van nog hogere orde filters mogelijk.

De resterende energie (in spanningsgolfvorm in het diagram van figuur 4 aangeduid door de stippels ingevulde vlakken) wordt 30 in het voedingssysteem volgens figuur 3 gedissipeerd in weerstand 38. Door wedercm spoel 35 te vervangen, onder weglating van weerstand 38, door een transformator kan ook deze resterende 4,57% van het ingangs-vermogen van filter III nuttige gemaakt worden, bijvoorbeeld door verhoging van .die spanning door middel van de transformator en/of door een 35 gelijkrichtende spanningsvermenigvuldigingsschakeling bijvoorbeeld tot het opwekken van de hoge spanning die nodig is voor het voeden van foto-dioden schakelingen in ontvangers in qptische transmissie-systemen.

81 03 0 63 H3N 10.084 9

In het voargaande is berekend hoe de gelijkstrocmenergie beschikbaar aan de uitgangsklemren 16 en 17 van het voedingssysteem volgens figuur 3 gekcppeld kan warden aan en samengevoegd net de gelijkstrocmenergie die beschikbaar is aan de uitgangsklemren 12 en 13 5 van dat voedingssysteem teneinde zodoende een hoger renderoent verkrijgen van het voedingssysteem.

Deze koppeling is echter niet noodzakelijk en met name niet van toepassing wanneer een tweede gelij kstroaribrcn gewenst is met een andere spanning dan gemeten wordt tussen de uitgangskleranen 12 en 13.

10 In principe is iedere spanning tussen de uitgangsklemnen 16 en 17 nogelijk door juiste keuze van de transformatie verhouding van trans-formator 50. Daarbij dient gelet te warden op een onveranderd functio-neren van filter III door de, door de transformator 50 in het netwerk van filter III ingebrachte weerstand steeds in waarde gelijk te doen 15 zijn aan de waarde van weerstand 8. Nog een ander uitvoeringsvoorbeeld van het voedingssysteem volgens de uitvinding wordt aangegeven in de figuur 7. Daarbij is de transformator 50 van figuur 3 niet aangesloten aan een gelijkrichter IV en een filter V, maar direct aan een wissel-strocmenergie verbruiker VI met een constant® reeele ingangsinpedantie 20 bijvoorbeeld ten behoeve van vervorming of verlichting.

25 30 35 81 03 0 63

Claims (6)

1. Voedingssysteem met gelijkrichting van een ingangswissel-spanning of ~strocm, waarbij een gelijkrichtschakeling (II) wordt gevolgd door een afvlakfilter III met het kenmerk, dat de ingangs-impedantie van het afvlakfilter (III) voor het gehele aan dat filter 5 (III) aangeboden frequentiespectrum nagenoeg reeel en van gelijke waarde is.

2. Voedingssysteem volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat het filter (III) een constant R netwerk is.

3. Voedingssysteem volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat 10 het filter (III) de serieschakeling van een spoel (6) en een condensator (7) cravat, waarbij de condensator (7) tezamen met een weerstand (8) tussen de uitgangsklemnen (12, 13) van het voedingssysteem zijn aange-bracht en waarbij de spoel (6) overbrugd is door een weerstand (11) (Fig. 1) 15

4. Voedingssysteem volgens conclusie 3 met het kenmerk, dat de spoel (6) van het filter (III) gevormd wordt door de primaire winding (10) van een transformator (50) de secundaire winding (30) waarvan via de serieschakeling van een gelijkrichtschakeling (IV) en een filter (II) verbonden is met de uitgang (16, 17) van het voedingssysteem (Fig. 3). 20

5. Voedingssysteem volgens conclusie (2) met het kenmerk, dat het filter (III) een hogere orde filter is (Fig.

6). 25 30 35 8103063