DE1438565B2 - Schaltungsanordnung zum gewinnena/einer gleichspannung - Google Patents
Schaltungsanordnung zum gewinnena/einer gleichspannungInfo
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Description
Λ V
~Äv7
40
erfüllt ist, wobei A V die Zunahme der Vorspannung (V), Δ Vr die Abnahme der Spannung (Vr)
am Kondensator (8), R1 den zwischen dem Abgriff (13) und dem Kondensator (8) liegenden Teil
des Widerstandes (9) und R2 den anderen Teil dieses Widerstandes (9) darstellt.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Gewinnen einer Gleichspannung
aus einer der Serienschaltung eines Kondensators und eines nichtlinearen Elementes zugeführten symmetrischen
ersten Wechselspannung, wobei die Gleichspannung am Kondensator abnehmbar ist.
Bei bekannten Schaltungen wird eine Gleichspannung in der Regel durch Elemente mit unsymmetrischer
Kennlinie, z. B. Dioden, gewonnen. Es ist z. B. bekannt, zur Erzeugung einer von der Netzwechselspannung
unabhängigen Gleichspannung die Wechselspannung der Serienschaltung einer Zenerdiode
und eines Kondensators zuzuführen (deutsche Auslegeschrift 1 061 886). Die Höhe der erzeugten
Gleichspannung ist ausschließlich von der jeweils verwendeten Zenerdiode abhängig. Es ist auch bekannt,
einem Element mit nichtlinearer symmetrischer Stromspannungs-Kennlinie eine unsymmetrische, z. B.
impulsförmige Spannung zuzuführen, wobei in üblicher Weise eine Gleichspannung gewonnen wird,
die mit zunehmender Amplitude der zugeführten Wechselspannung ebenfalls zunimmt; eine derartige
Schaltung wird nach der USA.-Patentschrift 2 628 326 im Zeilen-Ablenkteil eines Fernsehempfängers verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache Gleichrichterschaltung anzugeben,
bei der je nach Größe der Eingangswechselspannung und/oder der Dimensionierung der Schaltung bei
zunehmender Eingangswechselspannung die Ausgangsgleichspannung entweder ebenfalls zunimmt
oder abnimmt oder konstant bleibt. Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Element eine wenigstens annähernd symmetrische
Kennlinie aufweist und daß der Kondensator über einen Widerstand an einer Vorspannung liegt, die
der Amplitude der ersten Wechselspannung proportional ist, und daß die Gleichspannung zwischen einem
Abgriff des Widerstandes und demjenigen Anschluß des Kondensators abgegriffen ist, die dem Verbindungspunkt
von Kondensator und Widerstand abgewandt ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher erläutert.
F i g. 1 zeigt eine Gleichrichterschaltung zum Erzeugen
einer gegenüber Netzspannungsschwankungen stabilisierten Gleichspannung;
F i g. 2 zeigt Spannungen und Ströme in einem Diagramm, in dem auch die Kennlinie des nichtlinearen
Elementes eingezeichnet ist;
F i g. 3 zeigt die Ausgangsspannung Vr der Schaltung
nach F i g. 1 als Funktion der Netzspannung
In F i g. 1 liegt eine Netzspannung V„et an der
Primärwicklung eines Transformators 1. Mit der Sekundärwicklung dieses Transformators ist eine
übliche Gleichrichterschaltung verbunden, die aus einer Diode 2 und einem Glättungsnetzwerk besteht,
welches von einer Drosselspule 3 und zwei Glättungskondensatoren 4 und 5 gebildet wird. Am zweiten
Kondensator 5 entsteht daher eine Vorspannung V, die auf Grund der in F i g. 1 angegebenen Anschlußweise
der Diode 2 eine positive Gleichspannung ist. Naturgemäß kann durch Umkehrung der Diode 2
eine negative Gleichspannung am Kondensator 5 erhalten werden.
Mit einer Anzapfung 6 der Sekundärwicklung des Transformators 1 ist eine zweite Gleichrichterschaltung
verbunden, welche aus einem spannungsabhängigen Widerstand 7 mit symmetrischer Kennlinie,
z. B. einem VDR-Widerstand, und einem Kondensator 8 besteht. Normalerweise kann ein solcher
VDR-Widerstand nur als Gleichrichterelement wirksam sein, wenn ihm eine unsymmetrische Wechselspannung
zugeführt wird.
Nach der Erfindung wird über einen Ohmschen ; Widerstand 9 an den VDR-Widerstand 7 die Vorspannung
V angelegt, wodurch sich auch hier eine Gleichrichterwirkung ergibt. Die der Anzapfung 6
gegen Erde entnommene Wechselspannung ist, wie die an der Primärwicklung des Transformators 1,
eine genau sinusförmige Wechselspannung und also symmetrisch gegen Erdpotential. Durch die an den
VDR-Widerstand 7 angelegte Vorspannung wird eine Gleichrichtung ermöglicht, so daß der Schaltung
nach F i g. 1 bei zunehmender Netzspannung Vnet
eine zunächst zunehmende, dann konstant bleibende und schließlich abnehmende Gleichspannung entnommen
werden kann.
Dies ist wie folgt zu erklären: Da an dem zwischen der Anzapfung 6 und Erde liegenden Teil der Sekundärwicklung
des Transformators 1 nahezu keine Gleichspannung abfällt, steht die Vorspannung V am
Kondensator 5 an der Reihenschaltung des Ohmschen Widerstandes 9 und des VDR-Widerstands 7
an. Die Gleichspannung am VDR-Widerstand 7 wird im folgenden mit VVDR bezeichnet. Die Vorspannung V
nimmt in proportionalem Verhältnis zur Netzspannung V„el zu, während ohne Wechselspannung von
der Anzapfung 6 die Gleichspannung VVDR infolge
der nichtlinearen Kennlinie des VDR-Widerstandes 7 bei zunehmender Netzspannung Vne, in stets geringerem
Maße zunehmen würde.
Im vorhergehenden ist die Vorspannung V positiv vorausgesetzt, so daß der Verbindungspunkt von
VDR-Widerstand 7 und Kondensator 8 positiv ist gegenüber dem Verbindungspunkt von VDR-Widerstand
7 und Anzapfung 6 oder mit anderen Worten, die Anzapfung 6 ist negativ gegenüber dem Verbindungspunkt
zwischen dem von VDR-Widerstand 7 und Kondensator 8. Wie oben erwähnt, tritt an dem
zwischen der Anzapfung 6 und Erde liegenden Teil der Sekundärwicklung keine Gleichspannung auf, so
daß die Gleichspannung VVDR gleichzeitig als positive
Gleichspannung Vr — VVDR am Kondensator 8
ansteht.
Die Spannung VVDR bewirkt, daß die Wechselspannung
am VDR-Widerstand 7, die durch die der Anzapfung 6 entnommene Wechselspannung herbeigeführt
wird, nicht symmetrisch um Erdpotential schwanken wird, wie es ohne Vorspannung der Fall
wäre. Die Wechselspannung an der Anzapfung 6 muß z. B. zunächst eine positive Spannung gleich der
Spannung VVDR angenommen haben, bevor die Spannung
VVDR am Element 7 zwischen dem Verbindungspunkt des Kondensators 8 mit dem VDR-Widerstand
7 und der Anzapfung 6 einen Wert gleich Null erhält.
Dies ist in F i g. 2 näher verdeutlicht, in der die Kurve 10 die bekannte nichtlineare Stromspannungs-Kennlinie
des VDR-Widerstandes 7 darstellt. Bei Abwesenheit einer Vorspannung am VDR-Widerstand
7 würde die Wechselspannung um die vertikale Achse in Fig. 2, d. h. um Erdpotential, schwanken.
Der Mittelwert des Stromes durch den Kondensator 8 (der Kapazitätswert des Kondensators 8 ist so groß
gewählt, daß bei der Frequenz der verwendeten Wechselspannung die Impedanz dieses Kondensators
klein ist gegenüber jedem möglichen Widerstandswert des VDR-Widerstandes 7, so daß nahezu keine
Wechselspannung am Kondensator 8 auftritt) ist dann gleich Null, so daß dem Kondensator 8 im Mittel
keine Ladung vom Wechselstrom zugeführt wird. Von einer Gleichrichterwirkung kann daher in diesem Fall
keine Rede sein.
Wird nach der Erfindung an den VDR-Widerstand 7 eine Vorspannung angelegt, so schwankt die Wechselspannung
nicht mehr um Erdpotential, sondern um das durch die Vorspannung bedingte Potential. Wie
oben erklärt, ist die Spannung an der Anzapfung 6 negativ gegenüber dem Verbindungspunkt des VDR-Widerstandes
7 und des Kondensators 8. Da am Kondensator 8 keine Wechselspannung auftritt, ist die
Spannung VVDR als negative Gleichspannung für den
spannungsabhängigen Widerstand 7 zu betrachten. So ist in F i g. 2 vorausgesetzt, daß bei einer
Wechselspannung am VDR-Widerstand 7 mit einer Amplitude V eine durch die Gleichspannung V bedingte
Vorspannung VVDR = V0 vorhanden ist. Die
Wechselspannung mit der Amplitude V schwankt daher zunächst um einen durch die Linie 11 wiedergegebenen
Wert V0. Infolge der Vorspannung F0
allein würde ein Strom I0 fließen. Infolge der angelegten
Wechselspannung V ergibt sich jedoch zusätzlich ein Wechselstrom, der durch die Kurve I1 in F i g. 2
dargestellt ist. Dieser Wechselstrom Z1 hat gegenüber
den Werten, die den Nulldurchgängen der angelegten Spannung V entsprechen, einen in negativer Richtung
verschobenen Mittelwert; das bedeutet, daß dem Kondensator 8 eine negative Ladung zugeführt wird.
Infolge des Anlegens der Vorspannung ergibt sich für die Wechselspannung von der Anzapfung 6 also
eine Gleichrichterwirkung, durch die dem Kondensator 8 eine negativere Spannung gegeben wird, und
die am Kondensator ursprünglich vorhandene positive Gleichspannung Vr wird so verringert. Entsprechend
wird auch die Vorspannung für den VDR-Widerstand 7 auf einen Wert V0 herabgesetzt, so daß
die Wechselspannung schließlich in der in F i g. 2 gestrichelt dargestellten Lage auftritt.
Daß der von der gleichgerichteten Wechselspannung hervorgerufene Anteil tatsächlich von der Spannung Vr
subtrahiert werden muß, läßt sich auch wie folgt einsehen:
Wenn die Anzapfung 6 positiv ist gegen Erde, fließt der Wechselstrom von der Anzapfung 6 über
den VDR-Widerstand 7 und den Kondensator 8 nach Erde. Dies ist ein positiv gerichteter Strom, der
dem Kondensator 8 gleichsam positive Ladung zuführt. Der Strom /0 infolge der Vorspannung V ist
von der Drosselspule 3 her über den Ohmschen Widerstand 9, den VDR-Widerstand 7 und die Anzapfung 6
nach Erde gerichtet. Der Strom /0 und der positive Teil des Wechselstromes / sind also im VDR-Widerstand
7 entgegengesetzt gerichtet und wirken einander entgegen. Ist die Anzapfung 6 negativ gegen
Erde, so sind der Wechselstrom und der Strom /0 im VDR-Widerstand 7 gleichgerichtet, und I0 und
der negative Teil des Wechselstromes / unterstützen einander. Wegen der nichtlinearen Kennlinie des VDR-Widerstandes
7 ist der durch die negative Wechselspannungs-Halbwelle hervorgerufene Strom wesentlich
größer als der durch die positive Halbwelle bewirkte Strom, so daß im Mittel ein negativer Strom
fließt, der gegenüber dem durch die Vorspannung V allein bedingten, im VDR-Widerstand 7 die gleiche
Richtung aufweisenden Strom einen höheren Wert hat. Dem Kondensator 8 wird daher Ladung entnommen,
bis bei einer geringeren Kondensatorspannung Vr wieder Gleichgewicht besteht.
Aus dem Vorhergehenden folgt, daß die Wirkung unverändert bleibt, wenn der Kondensator 8 und der
VDR-Widerstand 7 gegenseitig vertauscht werden. Zwar ist in diesem Falle der positive Teil des
Wechselstromes durch die Reihenschaltung des Kondensators 8 und des VDR-Widerstandes 7 vorherrschend,
aber dieser wird auch jetzt wieder die von der Gleichspannung Vr herbeigeführte Ladung verringern.
Solange die Vorspannung V gering ist, wird, bei
zunehmender Vorspannung V, die Spannung VVDR
am VDR-Widerstand 7 in stärkerem Maße zunehmen als die Spannung V— VVDR am Ohmschen Widerstand
9. Daraus folgt, daß bei wenig zunehmender Vorspannung V die Gleichspannung VVDR und daher
auch die positive Spannung VVDR = Vr am Kondensator
8 schneller zunimmt als der negative Spannungsteil, der durch Gleichrichtung der Wechselspannung
zwischen der Anzapfung 6 und Erde mit Hilfe des VDR-Widerstands 7 und des Kondensators 8 entsteht,
Bei weiterer Zunahme der Vorspannung Kaber nimmt VVDR und also Vr in stets geringerem Maße zu, und
der gleichgerichtete Spannungsanteil wirkt sich deutlicher aus.
Bei dem der Fig. 2 zugrundeliegenden Ausführungsbeispiel
war die Spannung am VDR-Widerstand 7 durch VVDR = CI gegeben, wobei β = 0,2
und C = 200 Volt Amp. ~{>
waren. Der Widerstand 9 hatte einen Wert von 100 k Ohm. Der Punkt 6 war eine Mittelanzapfung, so daß die Amplitude der
ersten Wechselspannung an diesem Punkt die Hälfte der Amplitude der zweiten Wechselspannung an der
ganzen Sekundärwicklung des Transformators 1 betrug. Bei Spitzengleichrichtung mittels der Diode 2
und des zugeordneten Glättungsnetzwerkes ergab sich für die Gleichspannung V ein Wert von 25 Volt,
während V an der Anzapfung 6 12,5VoIt betrug.
Läge die Anzapfung 6 nicht in der Mitte der Wicklung, sondern an ihrem unteren Ende, so daß die
Wechselspannung am VDR-Widerstand 7 Null wäre, dann würde durch die Vorspannung von V = 25 Volt
allein ein Strom J0 von -0,02 mA hervorgerufen und
am Kondensator 8 eine Spannung von 23 Volt auftreten. Durch die Gleichrichtung der von der Mittelanzapfung
zugeführten Wechselspannung von 12,5 Volt wurde der Strom nach größeren negativen Werten
verschoben, wobei sich die Spannung Vr am Kondensator
8 verminderte.
Die resultierende Spannung Vr am Kondensator 8
als Funktion der Netzspannung Vne, an der Primärseite
des Transformators 1 ergibt schließlich die in F i g. 3 dargestellte Kurve 12. In der Umgebung der
Kondensatorspannung Vn zeigt diese Kurve einen abfallenden Verlauf.
Man kann nun eine endgültige Ausgangsgleichspannung V— der Anzapfung 13 am Widerstand 9
entnehmen. Wenn die verschiedenen Elemente der Schaltung nach F i g. 1 derart gewählt werden, daß
zu der nominalen Netzspannung V„om eine Spannung
Vn gehört, die auf dem abfallenden Ast der Kurve 12
in F i g. 2 liegt, so ist es einleuchtend, daß bei richtiger Lage der Anzapfung 13 die Ausgangsgleichspannung
V- bei sich ändernder Netzspannung V„e,
konstant bleibt; denn eine Zunahme der Vorspannung V führt dann zu einer gleich großen Abnahme
der Spannung Vr und umgekehrt.
Die richtige Lage der Anzapfung 13 kann wie folgt berechnet werden: Hat der Teil des Widerstandes 9
zwischen der Anzapfung 13 und dem Kondensator 8 einen Widerstandswert von R1 Ohm und der andere
Teil einen Widerstandswert von R2 Ohm, so kann für
die entnommene Gleichspannung V- geschrieben werden:
V= =
VR^VnR2
R1+ R2
Nimmt die Spannung V um einen Betrag Δ V zu, so nimmt die Spannung Vrl um einen Betrag — A Vn
ab. Für die Änderung Δ V— kann daher geschrieben werden:
R1AV-R2A Vn
AV= =
R1+ R2
Daraus folgt, daß A V= = 0 ist, wenn R1AV
R V i d
= R2 I Vn
ist oder
W _ __^_
AVn ~ R1
AVn ~ R1
R7
Durch eine solche Wahl des Widerstandes 9, daß sein ohmscher Wert klein ist gegenüber dem Wert
des VDR-Widerstandes 7 bei verhältnismäßig kleiner Vorspannung V, jedoch groß ist gegenüber diesem
Wert bei verhältnismäßig großer Vorspannung V, ist bei sich ändernder Netzspannung V„et der abfallende
Ast der Kurve 12 über einen großen Bereich eine
gerade Linie. Das Verhältnis
Δ V
ist daher in
diesem Bereich als nahezu konstant zu betrachten, so daß die im Ausdruck (1) gefundene Bedingung in
diesem Bereich erfüllt werden kann.
Ist daher das Verhältnis zwischen dem Widerstandsteil R1 des Widerstandes 9 zwischen der Anzapfung
13 und dem Kondensator 8 und dem Widerstandsteil R2 zwischen der Anzapfung 13 und der
Drosselspule 3 gleich dem Verhältnis zwischen der Spannungsänderung A V der Vorspannung V und der
Spannungsänderung AVn der Spannung Vn, so ist
im erwähnten Bereich A V- = 0. Mit anderen Worten, in diesem Falle ist im erwähnten Bereich die entnommene
Gleichspannung K_ konstant.
Auch kann die Anzapfung 13 derart gewählt werden, daß die Ausgangsgleichspannung K_bei zunehmender
Netzspannung abnimmt (Anzapfung 13 näher am Verbindungspunkt des Widerstandes 9 und des Kondensators
8) oder bei zunehmender Netzspannung zunimmt (Anzapfung 13 näher am Verbindungspunkt
des Widerstandes 9 und der Drosselspule 3).
Es ist einleuchtend, daß durch Umkehrung der Diode 2 eine resultierende negative Spannung Vr mit
einem ähnlichen Verlauf, wie durch die Kurve 12 dargestellt, erreicht werden kann.
Das Widerstandselement 7 mit einer nichtlinearen Stromspannungs-Kennlinie braucht nicht ein spannungsabhängiger
Widerstand, z.B. ein VDR-Widerstand, zu sein. So wäre auch ein Widerstandselement
mit einem stark negativen Temperaturkoeffizienten verwendbar. Jedoch muß die Frequenz der verwendeten
Wechselspannung so niedrig liegen, daß die Widerstände mit einem negativen Temperaturkoeffizienten,
die meist träge sind, der Wechselspannung folgen können.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Schaltungsanordnung zum Gewinnen einer Gleichspannung aus einer der Serienschaltung
eines Kondensators und eines nichtlinearen Elementes zugeführten symmetrischen ersten Wechselspannung,
wobei die Gleichspannung am Kondensator abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Element (7) eine wenigstens annähernd symmetrische Kennlinie aufweist und daß der Kondensator (8) über einen Widerstand
(9) an einer Vorspannung (V) liegt, die der Amplitude der ersten Wechselspannung proportional
ist, und daß die Gleichspannung zwischen einem Abgriff des Widerstandes (9) und demjenigen
Anschluß des Kondensators (8) abgegriffen ist, die dem Verbindungspunkt von Kondensator
(8) und Widerstand (9) abgewandt ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Element (7) ein
VDR-Widerstand vorgesehen ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung (V)
durch Gleichrichtung einer zweiten Wechselspannung erzielt ist, deren Amplitude proportional
der Amplitude der ersten Wechselspannung ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung (V)
größer als die Amplitude der ersten Wechselspannung, vorzugsweise doppelt so groß, ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Erzeugung einer von den
Amplituden der beiden Wechselspannungen unabhängigen Gleichspannung, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abgriff (13) des Widerstandes (9) so gewählt ist, daß die Beziehung
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