DE1438565C - Schaltungsanordnung zum Gewinnen einer Gleichspannung - Google Patents

Description

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erfüllt ist, wobei Δ V die Zunahme der Vorspannung (V), Δ V_r die Abnahme der Spannung (V_r) 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 V_r der Schaltung nach F i g. 1 als Funktion der Netzspannung

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In F i g. 1 liegt eine Netzspannung V_net 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 V„_el 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 V_VDR bezeichnet. Die Vorspannung V nimmt in proportionalem Verhältnis zur Netzspannung V_net zu, während ohne Wechselspannung von der Anzapfung 6 die Gleichspannung V_VDR infolge der nichtlinearen Kennlinie des VDR-Widerstandes 7 bei zunehmender Netzspannung V„_e, 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 V_VDR gleichzeitig als positive Gleichspannung V_r = V_VDR am Kondensator 8 ansteht.

Die Spannung V_VDR 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 V_VDR angenommen haben, bevor die Spannung V_VDR 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 V_VDR 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 V_VDR = V₀ vorhanden ist. Die Wechselspannung mit der Amplitude V schwankt

ίο daher zunächst um einen durch die Linie 11 wiedergegebenen Wert V₀. Infolge der Vorspannung V₀ allein würde ein Strom I₀ fließen. Infolge der angelegten Wechselspannung V ergibt sich jedoch zusätzlich ein Wechselstrom, der durch die Kurve Z₁ in F i g. 2 dargestellt ist. Dieser Wechselstrom I₁ 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 V_r 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 V_r 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 I₀ 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 /₀ 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 V_r 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 V_r herbeigeführte Ladung verringern. Solange die Vorspannung V gering ist, wird, bei

zunehmender Vorspannung K, die Spannung V_VDR am VDR-Widerstand 7 in stärkerem Maße zunehmen als die Spannung F— V_VDR am Ohmschen Widerstand 9. Daraus folgt, daß bei wenig zunehmender Vorspannung V die Gleichspannung V_VDR und daher auch die positive Spannung V_VDR = V_r 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 V_VDR und also V_r in stets geringerem Maße zu, und der gleichgerichtete Spannungsanteil wirkt sich deutlicher aus.

Bei dem der F i g. 2 zugrundeliegenden Ausführungsbeispiel war die Spannung am VDR-Widerstand 7 durch V_VDR = 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 /₀ 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 V_r am Kondensator 8 verminderte.

Die resultierende Spannung V_r am Kondensator 8 als Funktion der Netzspannung V_ne, an der Primärseite des Transformators 1 ergibt schließlich die in F i g. 3 dargestellte Kurve 12. In der Umgebung der Kondensatorspannung V_n zeigt diese Kurve einen abfallenden Verlauf.

Man kann nun eine endgültige Ausgangsgleichspannung F_ 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_nom eine Spannung V_n 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_ne, konstant bleibt; denn eine Zunahme der Vorspannung V führt dann zu einer gleich großen Abnahme der Spannung V_r 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^V_nR₂ R₁+ R₂

Nimmt die Spannung V um einen Betrag Δ V zu, so nimmt die Spannung V_n um einen Betrag —Δ V_n ab. Für die Änderung Δ K_ kann daher geschrieben werden:

AV- ^{Rl Δ V} ~ ^^{2 Δ Vrl} R₁ + R₂

Daraus folgt, daß A V₌ = 0 ist, wenn R₁ Δ V = R_: I V_n ist oder

W R,

Δ V_n

R,

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„_e, der abfallende Ast der Kurve 12 über einen großen Bereich eine

gerade Linie. Das Verhältnis ist daher in

Δ V_rl

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 Δ V der Vorspannung V und der Spannungsänderung Δ V_n der Spannung V_n, so ist im erwähnten Bereich Δ V— = 0. Mit anderen Worten, in diesem Falle ist im erwähnten Bereich die entnommene Gleichspannung V- 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 V_r 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)

Patentansprüche:

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 (F) 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