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Die Erfindung betrifft eine Gleichrichter-Schaltungsanordnung mit einem Zerhacker-Regler zur Erzeugung einer last- und netzspannungsunabhängigen konstantgehaltenen Ausgangs-Gleichspannung, dessen Durchschalte- zeitdauer vom Wert der Netzspannung und von dem des an den Ausgang des Gleichrichters angeschlossenen
Lastwiderstandes abhängt, und dem ein aus einer Längs-Induktivität und einer Quer-Kapazität bestehendes
Glättungsnetzwerk nachgeschaltet ist, wobei ein dem Zerhacker-Regler eingangsseitig vorgeschalteter
Speicherkondensator parallel zu dem Ausgang eines an einen Netztransformator angeschlossenen
Diodengleichrichters mit vier Gleichrichterdioden geschaltet ist und weiters die Sekundärwicklung des
Netztransformators eine Mittelanzapfung aufweist, die über eine Koppeldiode in deren Durchlassrichtung mit dem
Eingang des Glättungsnetzwerkes verbunden ist.
Eine derartig ausgebildete Gleichrichter-Schaltungsanordnung ist bekannt. Der in ihr angeordnete
Zerhacker-Regler, der meist mit einem Halbleiter-Schaltelement, wie z. B. einem Transistor oder einem Thyristor ausgerüstet ist, wirkt als Impulsbreiten-Modulator und er bewirkt, dass die an den Klemmen des nachgeschalteten
Glättungsnetzwerkes anliegende Spannung bei Durchschaltung des Zerhacker-Reglers die als Energiespeicher wirkende Längsinduktivität des Glättungsnetzwerkes so auflädt, dass die gespeicherte Energie während der
Sperrzeit des Zerhacker-Reglers eine weitgehende Konstanz der Ausgangs-Gleichspannung bewirkt.
In dem Schaltelement des Zerhacker-Reglers tritt ein Energieverlust auf, der umso kleiner ist, je kleiner das
Verhältnis der Durchschaltedauer zur Schaltfolgeperiodendauer ist. Dieses Verhältnis erreicht dann niedrige
Werte, wenn die Eingangsspannung höher als die Ausgangsspannung ist. Für eine günstige Wirkung ist es nötig, dass die Eingangsspannung den etwa 1, 5- bis 2fachen Wert der Ausgangs-Gleichspannung aufweist.
Bei der bekannten Schaltungsanordnung liegt die halbe Sekundärspannung des Netztransformators in der auf eine Durchschalteperiode des Zerhacker-Reglers folgenden Halbperiode, in der der Zerhacker-Regler gesperrt ist, über eine Diode direkt am Eingang des Glättungsnetzwerkes an. Gleichzeitig lädt sich der unmittelbar an den
Eingang zum Zerhacker-Regler angeschlossene Speicherkondensator auf, was die Speisung des Zerhacker-Reglers in dieser Halbperiode bewirkt. Der Zerhacker-Regler liefert an seinem Ausgang Spannungsimpulse, die zwischen den über die von der Mittelanzapfung des Netztransformators über die an diese und an den Eingang des Glättungsnetzwerkes angeschlossene Diode kommenden, die Halbwellenspannung bildenden Impulsen auftreten.
Dies bewirkt, dass der Wert der Induktion der Längsinduktivität des Glättungsnetzwerkes bei gleicher Konstanz der Ausgangsspannung zwar kleiner bemessen werden kann, weil die Spannung eine doppelt so hohe Frequenz aufweist als die ohne die die Mittelanzapfung des Netztransformators mit der Längsinduktivität verbindende Diode auftretende Spannung am Eingang des Glättungsnetzwerkes, doch weist diese Schaltungsanordnung den Nachteil auf, dass die zur Speisung des Zerhacker-Reglers dienende Spannung nicht 1, 5bis 2fach so hoch wie die Ausgangs-Gleichspannung gemacht werden kann, so dass die Wirksamkeit des Zerhacker-Reglers unbefriedigend ist, und ausserdem besteht bei dieser bekannten Schaltungsanordnung der Nachteil, dass der Bereich, innerhalb dessen die Ausgangs-Gleichspannung in Abhängigkeit von der Einstellmöglichkeit im Zerhacker-Regler nur sehr eng begrenzt ist.
Die unerwünschte Begrenzung des Grössenwertes der am Zerhacker-Regler-Eingang anliegenden Wechselspannung rührt von dem durch den Zerhacker-Regler nicht gesteuerten, über die Diode an dem Glättungsnetzwerk anliegenden Anteil der Spannung her. Bei dieser symmetrisch ausgebildeten Schaltung kann die vom Transformator gelieferte Spannung nie so niedrig bemessen werden, dass sie die Ausgangs-Gleichspannung nicht übersteigt, und gleichzeitig so hoch bemessen werden, dass sie den 1, 5- bis 2fachen Grössenwert der Ausgangs-Gleichspannung erreicht.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1588322 sind ferner Schaltungsanordnungen bekannt, denen die Aufgabe zugrundeliegt, den Kapazitätswert des Ladekondensators bei gleicher Siebwirkung zu verringern. Dies erreicht die bekannte Anordnung durch Anwendung des Prinzips, zur Umschaltung zwischen zwei gleichphasigen Wechselspannungen verschiedener Amplitude als Ladespannungen einen mit einer Steuerschaltung verbundenen Schalter anzuordnen. Bei dieser Anordnung tritt jedoch der Nachteil auf, dass die am Eingangsnetzwerk anliegende Spannung in ihrem zeitlichen Verlauf periodisch auch den Wert Null annimmt, wie dies weiter unten näher ausgeführt wird. Dieser zeitliche Spannungsverlauf bedingt aber, dass das Glättungsnetzwerk bei der bekannten Anordnung aufwendiger bemessen werden muss, als wenn die Eingangsspannung den Nullwert zu keiner Zeit erreicht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung der oben beschriebenen Art anzugeben, die es gestattet, dem Zerhacker-Regler eine Spannung in der Höhe der 1, 5- bis 2fachen Ausgangs-Gleichspannung zuzuführen und dabei den Maximalwert der Ausgangs-Gleichspannung nicht zu überschreiten und die oben angegebenen Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet.
Sie erreicht dies dadurch, dass erfindungsgemäss entweder der Netztransformator mit zwei einander gleichen Sekundärhilfswicklungen ausgebildet ist, deren Endanschlüsse über das eine Gleichrichterdiodenpaar des Diodengleichrichters mit dem Eingang des Zerhacker-Reglers verbunden sind, oder dass der Netztransformator mit einer einzigen Sekundärhilfswicklung ausgebildet ist, deren beide Anschlüsse für eine Zusatzspannung zu der vom Netztransformator gelieferten Spannung über zwei zusätzliche in den Diodengleichrichter geschaltete Gleichrichterdioden mit dem Eingang des Zerhacker-Reglers verbunden sind.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Fig. l zeigt eine bekannte Schaltungsanordnung, von der die Erfindung ausgeht, Fig. 2 zeigt eine prinzipielle Darstellung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung, Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen Gleichrichter nach der Erfindung, bei dem der Netztransformator mit zwei zusätzlichen Wicklungen versehen ist, Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem Netztransformator, der nur eine einzige zusätzliche Wicklung aufweist, bei der jedoch zwei zusätzliche Dioden erforderlich sind, Fig. 5a und 5b veranschaulichen die zeitlichen Spannungsverläufe bei einer bekannten Anordnung und bei der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung.
Die bekannte Schaltungsanordnung nach Fig. 1 enthält einen Netztransformator--Tr--mit einer Sekundärwicklung mit Mittelanzapfung. Die Sekundärwicklungshälften-Wl und W2-sind an einen aus den vier Dioden-D2 bis D5-- zusammengesetzten Vollweggleichrichter angeschlossen, dessen einer Gleichstrom-Ausgang den einen Gleichstrom-Ausgang der Schaltungsanordnung bildet, wogegen der andere
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Mittelanzapfung der Sekundärwicklung--Wl, W2--des Netztransformators--Tr--ist einerseits über eine Diode--dan den Ausgang des Zerhacker-Reglers--ZR--, anderseits an einen Speicherkondensator - Kl--angeschlossen, dessen andere Klemme an den Eingang des Zerhacker-Reglers--ZR-angeschlossen ist.
Mit dieser-dem Stand der Technik entsprechenden-Schaltungsanordnung kann die eingangs gestellte Forderung, dass die am Eingang des Glättungsnetzwerkes--L, K--anliegende Wechselspannung einerseits nicht höher sein soll als die Ausgangs-Gleichspannung, gleichzeitig aber die am Eingang des Zerhacker-Reglers --ZR-- anliegende Gleichspannung den optimalen Wert vom 1, 5- bis 2fachen der Ausgangs-Gleichspannung aufweisen soll, nicht erfüllt werden, wenngleich mit dieser Schaltung eine Verringerung des nötigen Induktionswertes der Längsinduktivität--L--erreichbar ist.
Bei dieser Schaltung liegt die halbe Sekundärspannung Ul = U2 des Netztransformators--Tr--in einer jeweils nächsten Halbperiode über die Diode--Dl--direkt am Eingang des Glättungsnetzwerkes--L, K--an. Gleichzeitig wird der Kondensator --Kl-- durch die Spannung UK1 während der jeweils andern Halbperiode der Sekundärspannung aufgeladen
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so hohe Frequenz aufweist als die am Eingang des Zerhacker-Reglers--ZR-anliegende Spannung in dem Fall aufweist, wenn die Diode--Dl--nicht vorhanden wäre ; derr Zerhacker-Regler--ZR-braucht also in der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung nur die halbe Ausgangsleistung zu steuern und er unterliegt daher günstigeren Betriebsbedingungen als solche bei Wegfall der Diode --D1-- vorliegen würden.
Doch weist diese Schaltungsanordnung insofern Nachteile auf, als bei ihr die zur Speisung des Zerhacker-Reglers verwendete Spannung UK1 nicht den 1, 5- bis 2fachen Wert der Ausgangs-Gleichspannung aufweisen kann, und weil dadurch
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eng begrenzt ist. Die Begrenzung des Grössenwertes der Spannung UK1 rührt von dem vom Zerhacker-Regler nicht gesteuerten Anteil U1 = U2 derselben her, der über die Diode--Dl--direkt am Eingang des Glättungsnetzwerkes--L, K--anliegt. Der Mittelwert der an den Klemmen--A, B--anliegenden Eingangsspannung darf unter keiner Belastungsbedingung bei der maximal zulässigen Eingangs-Wechselspannung den Grössenwert der Ausgangs-Gleichspannung übersteigen.
Weil der Kondensator--Kl--durch die jeweils andere Halbwelle der Sekundärspannung aufgeladen wird, kann die Spannung Ul = U2 in dieser symmetrischen Schaltungsanordnung niemals klein genug gemacht werden, dass sie nicht den Grössenwert der Ausgangs-Gleichspannung übersteigt, gleichzeitig aber so hoch bemessen werden, dass die den 1, 5- bis 2fachen Grössenwert der Ausgangs-Gleichspannung U = erreichen kann.
Diese Forderung kann nur mit einer gemäss der Erfindung unsymmetrisch ausgebildeten Schaltungsanordnung erfüllt werden, deren Prinzip in Fig. 2 gezeigt ist. Bei dieser Schaltungsanordnung weist der Netztransformator--Tr--eine zusätzliche Wicklung--W3--auf, deren Ausgangsspannung U3 in einem zusätzlichen Vollweggleichrichter--Glr2--gleichgerichtet wird.
Dessen Ausgangs-Gleichspannung ist mit der vom Gleichrichter--Glrl-gelieferten Gleichspannung, die aus den von den Wicklungen--Wl und W2-des Netztransformators--Tr--gelieferten Wechselspannungen U1 und U2 gewonnen wird, in Reihe geschaltet, und die resultierende Spannung liegt am Eingang zum Zerhacker-Regler--ZR--an. Der durch den Zerhacker-Regler--ZR--nicht gesteuerte Anteil der Ausgangsspannung hängt von den an den Sekundärwicklungen--Wl und W2--des Netztransformators--Tr--auftretenden Wechselspannungen U1 = U2 ab, wogegen die am Speicherkondensator--Kl--anliegende Spannung UK1 von der Summe der Spannungen Ul + U3 bzw. U2 + U3 abhängt.
Durch diese Ausbildung der Schaltungsanordnung ist es möglich, die Spannung Ul = U2 genügend niedrig zu halten, gleichzeitig aber doch durch entsprechende Wahl des
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Grössenwertes der Spannung U3 zu erreichen, dass die Summe U1 + U3 = U2 + U3 so hoch wird, dass die Bedingung UK1 = (1, 5 bis 2) U = erfüllt ist.
Bei der eingangs angegebenen Ausführung nach der deutschen Offenlegungsschrift 1588322 weist die am Glättungsnetzwerk anliegende Spannung bei Anschluss an ein Netz von 50 Hz Netzfrequenz eine Grundfrequenz von 100 Hz auf. Der zeitliche Spannungsverlauf ist in Fig. 5a gezeigt. Die am Glättungsnetzwerk anliegende Spannung weist, wie ersichtlich, periodisch wiederkehrende Nullstellen auf. Bei der erfindungsgemässen Anordnung tritt hingegen ein zeitlicher Spannungsverlauf auf, wie er in Fig. 5b gezeigt ist. Der Speicherkondensator--Kl--nach Fig. 3 und 4, der unmittelbar an den Eingang des Zerhacker-Reglers angeschlossen ist, wirkt wie eine Gleichspannungsquelle.
Er befähig den Zerhacker-Regler, an seinem Ausgang - Spannungsimpulse zu liefern, die den Halbwellenspannungen überlagert sind, und die von der
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W2-des Transformators-Tr-überGrundfrequenz aufweist wie die ohne den Speicherkondensator--Kl--erzeugte Spannung. Bei Anschluss an ein Netz von 50 Hz Netzfrequenz tritt daher am Eingang-A, B-des Glättungsnetzwerkes-L, K-eine
Grundfrequenz von 200 Hz auf. Daher kann diese Spannung nie den Nullwert erreichen und dies ist auch der
Grund dafür, dass das Glättungsnetzwerk--L, K--sparsamer bemessern werden kann als bei der bekannten
Schaltungsanordnung nach der deutschen Offenlegungsschrift 1588322.
Gegenüber dieser bekannten
Schaltungsanordnung unterscheidet sich die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung noch dadurch, dass eine Zusatzwicklung-W3-an dem Transformator-Tr-vorgesehen ist, deren Ausgangsspannung U3 in Fig. 3 über Dioden--D4, D5--, in FigA über Dioden --D1, D6-- an den Eingang des Zerhacker-Reglers angeschlossen ist. Diese Zusatzspannung wird auf die Lastversorgungsspannung übertragen, eine bei der bekannten Schaltungsanordnung vorgesehene Zusatzwicklung dient jedoch nur zur Versorgung der
Steuerschaltung.
Bei der nur zur Erläuterung der Erfindung dienenden Schaltungsanordnung nach Fig. 2 sind gegenüber der bekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 1 um vier Dioden mehr erforderlich. Dieser Nachteil kann durch eine ebenfalls zum Gegenstand der Erfindung gehörende Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 gemäss den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Schaltungsanordnungen vermieden werden.
Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 müssen die Bedingungen U1 = U2 und U3 = U4 erfüllt sein. Die am Speicherkondensator-Kl-anliegende Spannung UK1 hängt von der Summe der Spannungen U1 + U3 und U2 + U4 und von der Spannung U3 = U4 ab ; bei entsprechender Grössenbemessung der Spannungen kann die
Bedingung UK1 = 1, 5 U = erfüllt werden, unter der eine gute Wirksamkeit des Zerhacker-Reglers-ZR-- bezüglich der last- und netzspannungs-unabhängig konstanten Ausgangsspannung U = gewährleistet ist und sich ein grösserer Einstellbereich für die Ausgangs-Gleichspannung ergibt.
Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ist ein Netztransformator mit insgesamt vier Teil-Sekundärwicklungen--Wl bis W4-- nötig. Da ein solcher nicht immer zur Verfügung stehen wird, ist es zweckmässig, die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 so umzugestalten, dass bei dieser Ausführungsform ein Netztransformator mit nur drei Sekundär-Teilwicklungen--Wl, W2, W3--nach Fig. 4 verwendet wird. Diese Ausbildungart der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung bedingt aber einen Mehraufwand von zwei Dioden --D6 und D7--bei sonst gleicher Funktionsweise wie die der Schaltungsanordnung nach Fig. 3, bei der die entsprechenden Schaltelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in den Fig. 2 und 3.
Die Verwendung der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 bzw. die der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 hängt hauptsächlich von den Kosten des Netztransformators und von denen der für die benötigte Ausgangsleistung bemessenen Dioden ab.