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Impulsgenerator, insbesondere für ein Netzgerät Die Erfindung bezieht
sich auf einen Impulsgenerator, der sich insbesondere zur Verwendung in einem Netzgerät
eignet und der Ausgangsimpulse abgibt, deren Phasenlags in Bezug auf ein Wechselstrom-Bezugsai6nal
von der Höhe eines Gleichstrom-Eingangssignals abhängt.
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Gesteuerte Siliziumgleichrichter werden häufig dadurch gezündet, daß
ihren orelektroden ein sinusförmiger Wellenzug zugeführt wird, der einer veränderbaren
Vorspannung überlagert ist. Wie weiter unten noch ersichtlich werden wird; bringt
diese Art der Zündung eine Verringerung in der Genauigkeit des Zündwinkels der den
gesteuerten Siliziuugleichrichtern jeweils zugeführten Zündimpulse mit sich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Impulsgenerator zu schaffen, der
Impulse zum Zünden von gesteuerten Siliziumgleichrichtern abgibt, die beispielsweise
in einem Netzgerät verwendet werden, das an seinem Ausgang einen stabilisierten
Gleichstrom oder eine stabilisierte Gleichspannung abgibt.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit Hilfe eines Impulsgenerators der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß das Wechselstrom-Bezugssignal der Primärwicklung
eines Steuertransformators zugeführt wird, daß das Gleichstrom-Eingangssignal über
die Sekundärwicklung des Steuertransformators der Basis wenigstens eines Transistors
zugeführt wird und daß im Basiskreis des jeweiligen Dransistorsbjeweils zwei Dioden
liegen, die derart miteinander in Reihe geschaltet und mit ihrem gemeinsamen Verbindungspunkt
über einen Widerstand an eine eine solche Spannung abgebende Spannungsquelle angeschlossen
sind, daß in Abhängigkeit von dem jeweiligen Momentanwert des am Verbindungspunkt
der Sekundärwicklung des Steuertransformators und der jeweils einen Diode auftretenden
Gleichstrom-Eingangssignals der Jeweilige Widerstand entweder von einem den jeweiligen
Transistor in den leitenden Zustand steuernden Basisstrom oder von einem die Bekundarwickludg
des Steuertranaformators durchfließenden und den jeweiligen Transistor in den nicht
leitenden Zustand steuernden Strom durchflossen wird.
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An den Kollektor des Transistors ist vorzugsweise die Primärwicklung
eines iusgangstransformators angeschlossen, dessen Transformatorkern'gesättigt ist,
wenn der volle Kollektorstrom des Xransistors fließt. Von der Sekundärwicklung des
Ausgangstransformators ist der jeweils erzeugte Ausgangsimpuls abnehmbar.
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Ein derartiger Impulsgenerator eignet sich zum Zünden gesteuerter
Siliziumgleichrichter, da er in der Phase veränderliche Impulse oder Nadelimpulse
abgibt, deren Vorderflanke nahezu vertikal ansteigt. Dadurch steigt die Genauigkeit
hinsichtlich der Erzielung eines bestimmten Zündwinkels einem gesteuerten Siliziumgleichrichter
zuzuführender Zündimpulse.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Impulsgenerator
der zuvor erläuterten Art in einem Netzgerät verwendet, das an eine Wechselstromquelle
angeschlossen ist und das an eine an seinem Ausgang angeschlossene Last einen stabilisierten
Gleichstrom oder eine stabilisierte Gleichspannung abgibt. Das Netzgerät enthält
einen gesteuerten Siliziumgleichrichter, der den der Wechsel stromquelle entnommenen
Strom gleichrichtet und steuert. Der gesteuerte Siliziumgleichrichter wird durch
von dem betreffenden Impuls generator gelieferte Zündimpulse gezundet. Werden zwei
oder mehr gesteuerte Siliziumgleichrichter verwendet, wenn z.B.
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eine Vollweggleichrichtung oder eine Mehrphasengleichrichtung erforderlich
ist, so sind zwei oder mehr gesteuerte Siliziumgleichrichter und ein entsprechend
modifizierter Impulsgenerator erforderlich.
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Ein Netzgerät der gerade erläuterten Art zeichnet sich gegenüber bekannten
Netzgeräten, die einen geregelten Gleichstrom oder eine geregelte Gieichspannung
abgeben, in vorteilhafter Weise dadurch aus, daß die jeweiligen gesteuerten Siliziumgleichrichter
als Schalter arbeiten und nahezu keine Leistung verbrauchen. Die Reihenregelglieder
bekannter Netzgeräte wirken normalerweise als Widerstände; sie sind z.B. durch die
Emitter-Kollektor-Strecke von Transistoren gebildet und verbrauchen demgemäß Leistung,
Anhand
von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen Schaltplan eines bekannten Netzgerätes.
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Fig. 2 zeigt anhand eines Schaltplans die Anwendung der Erfindung
in einem Einphasen-Netzgerät.
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Fig. 3 zeigt in einem Schaltplan die Anwendung der Erfindung in einem
Dreiphasen-Netzgerät.
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Fig. 4 veranschaulicht den Verlauf von Wellenzügen der an einem Netztransformator
und an einem Steuertransformator auftretenden Spannungen.
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Fig. 5, 6 und 7 zeigen schematisch andere Dreiphasen-Netzgeräte, bei
denen die Erfindung anwendbar ist.
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In Fig. 1 ist zum Zwecke der Erläuterung ein bekannter Spannungsregler
mit einem Reihenregelglied gezeigt. Der Spannungsregler besitzt einen Transformator
11 mit einem Eingang 10. Der Transformator weist eine Sekundärwicklung 12 auf, deren
abgegebene Wechselspannung mittels eines Gleichrichters 13 gleichgerichtet und über
ein Reihenregelglied 14 einem Ausgang 15 zugeführt wird. An den Ausgang 15 ist eine
Brückendetektorschaltung mit einem ersten Widerstand 16, der die Spannung am Ausgang
15 bestimmt, mit einem zweiten Widerstand 17 und mit einer Bezugsspannungsquelle
18 angeschlossen. Die positives Potential führende Klemme der Bezugsspannungsquelle
ist an der negatives Potential vom Gleichrichter 13 führenden Leitung 20 angeschlossen;
die negatives Potential führende Klemme der Bezugsspannungsquelle ist mit dem Widerstand
17 verbunden.
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Die Werte der Widerstande und der Spannung der Bezugsspannungsquelle
sind so gewählt, daß der Spamlungsatfall an dem Widerstand 16 gleich der Ausgangsspannung
ist. Damit entspricht das Potential an dem Punkt 19 zwischen den beiden Widerständen
dem an der negatives Potential führenden Ausgangsleitung 20 herrschenden Potential.
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Ein Abgleichdetektor 22 stellt Jede in dem Spannungsgleichgewicht
auftretende Änderung fest und gibt über eine Leitung 23 an die Basis 24 des Reihenregeltransistors
14 ein Analog-Signal ab, durch das der effektive Widerstand des Transistors erhöht
oder herabgesetzt und damit die Ausgangsspannung auf den jeweils gewünschten Art
zurückgebracht wird.
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Während die erfindungsgemäße Schaltung zur Zündung gesteuerter Siliziumgleichrichter
in Fig. 2 im Zusammenhang mit einer Brückensteuerschaltung der in Fig. 1 gezeigten
allgemeinen Art veranschaulicht ist, dürfte einzusehen sein, daß die erfindungsgemäße
Schaltung in gleicher Weise auch zur Zündung gesteuerter Siliziumgleichrichter in
anderen Schaltungsanordnungen anwendbar ist, in denen es erwünscht ist, den Zündwinkel
der Zündimpulse zu steuern.
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Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung enthält einen Netztransformator
30, der an eine Wechselstromquelle 31 angeschlossen ist. Der Transformator besitzt
eine Sekundärwicklung 32 mit einem Mittelabgriff, welche negatives Potential führt
(Leitung 33). An die beiden äußeren Enden der Sekundärwicklung des Netztransformators
sind zwei gesteuerte Siliziumgleichrichter oder Thyristoren 34,35 angeschlossen,
die zu einer gemeinsamen positives Potential führenden Leitung 36 hinführen. Der
gleichgerichtete Strom ist über ein Filter 37 von einem Ausgang 38 abnehmbar. Zur
Feststellung von Änderungen in der Ausgangsspannung und Abgabe entsprechender Analog-Korrektursignale
über eine Leitung 39 sind am Ausgang 38 eine Brückenschaltung und ein Abgleichdetektor
der in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Art vorgesehen. Das auf der Leitung 59
auftretende Analog-Signal wird einer Steuerschaltung 40 zugeführt und bewirkt, daß
die Zündung des jeweiligen geateuerten Siliziumgleichrichters während eines Winkels
erfolgt,
bei dem die gewünschte Ausgangsspannung auftritt. Die Steuerschaltung
enthält einen Steuertransformator 41, der über eine Phasenschieberschaltung 42 herkömmlicher
Bauart mit der Primärwicklung des Netztransformators 30 verbunden ist. Die Phasenschieberschaltung
42 bewirkt eine Phasenverschiebung des der Primärwicklung 43 des Steuertransformators
zugeführten Stromes um etwa 900 in Bezug auf die Phase des von der Wechselstromquelle
ab gegebenen Wechselstroms.
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Die Höhe des dem Steuertransformator entnehmbaren Gleichstroms wird
normalerweise unter dem Wert des auf der Leitung 33 des Netzgerätes herrschenden
negativen Potentials gehalten; die Regelung der Zündung der gesteuerten Siliziumgleichrichter
erfolgt durch Erhöhen oder Absenken des Pegels der von der Sekundärseite des Steuertransformators
entnehmbaren Gleichspannung, und zwar in Abhängigkeit von dem von dem Ausgang des
Detektors über die Leitung 39 Jeweils abgegebenen Analog-Steuersignal.
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Die Art und Weise, in der der Zündwinkel der den gesteuerten Siliziumgleichrichtern
zuzuführenden Zündimpulse geändert wird, veranschaulichen die in Fig. 4 gezeigten
Wellenzüge. Dabei ist die Anoden-Eathoden-Spannung eines gesteuerten Siliziumgleichrichters
durch stark ausgezogene Linien veranschaulicht. Die mit einem möglichen wird Pegelwert
auftretende Steuerspannung/zwischen Torelektrode und Kathode des betreffenden gesteuerten
Siliziumgleichrichters angelegt; diese Steuerspannung ist durch gestrichelte Linien
angedeutet.
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Zum Zwecke der Erläuterung sei angenommen, daß die Anoden-Kathoden-Spannung
des gesteuerten Siliziumgleichrichters Null Volt beträgt und daßderSekundärseite
des Steuertransformators entnehmbare Gleichspannuq- bei
-6 Volt
liegt und daß eine Spitzenspannung von 5 Volt auftritt. Unter diesen Umständen kann
der gesteuerte Siliziumgleichrichter nicht leitend werden. Wenn der Gleichspannungspegel
auf den mit A bezeichneten Wert erhöht werden kann, zündet der gesteuerte Siliziumgleichrichter
an dem Punkt, an dem die Steuerspannung den Zündspannungswert des gesteuerten Siliziumgleichrichters
überschreitet. Dies ist in der Zeichnung durch die schraffierte Fläche angedeutet.
Es dürfte sicher einzusehen sein, daß weitere Änderungen in dem Steuerspannungspegel
weitere Änderungen des Zündwinkels und demgemäß Änderungen des Effektivwertes des
geregelten Stromes hervorrufen. Es kann ferner festgestellt werden, daß in dem Fall,
daß die Spitzensteuerspannung das Zündpotential des gesteuerten Siliziumgleichrichters
kaum überläuft, die Zündung aufgrund der Breite bzw. aufgrund des geringen Anstiegwinkels
der Steuerspannung ihre Genauigkeit verliert.
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Durch die Steuerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine
größere Genauigkeit bei der Regelung des Zündwinkels erzielt, und zwar durch Abgabe
eines Spannungs-oder Nadelimpulses, der einen nahezu vertikalen Anstieg besitzt
und der der Torelektrode des gesteuerten Siliziumgleichrichters zugeführt wird.
Der Zündwinkel der Impulse wird durch den Gleichspannungspegel der Steuerspannung
bestimmt. Ein derartiger Impuls ist in Fig. 4 mit 48 bezeichnet.
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Bei der Steuerschaltung gemäß Fig. 2 erfolgt die Steuerung des Spannungspegels
auf der Sekundärseite des Steuertransformators (und damit die Steuerung des Zündwinkels
der Zündimpulse für die gesteuerten Siliziumgleichrichter) in einem von der +12
V führenden Leitung 50 über den Vorwiderstand 51, die Diode 52, den Mittelabgriff
53 der
Sekundärwicklung 54 und die Kollektor-Emitter-Strecke 55,
56 des Transistors 57 zu der -12 V führenden Leitung 58 verlaufenden Schaltungskreis.
Der Kollektor 55 des Transistors 57 ist dabei ferner über einen Widerstand 60 an
die +12 V führende Leitung 50 angeschlossen. Der Transistor 57 ist mit seiner Basis
59 über die Leitung 39 an den Abgleichdetektor angeschlossen. Von der Sekundärwicklung
61 eines Transformators 62 ist ein Zündimpuls abnehmbar. Die Primärwicklung 63 des
Transformators 62 liegt mit ihrem einen Ende an der +12 V führenden Leitung 50 und
mit ihrem anderen Ende über der Emitter-Kollektor-Strecke 65, 66 eines Transistors
64 an Erde. Der Transistor 64 ist mit seiner Basis 67 an die Kathode einer Diode
68 angeschlossen. Die Anode der Diode 68 ist mit der Anode der Diode 52 verbunden.
Die Verbindungsstelle 69 beider Dioden 52, 68 ist über den Vorwiderstand 51 an der
+12 V führenden Leitung 50 angeschlossen. Der in Reihe mit der Primärwicklung 63
des Transformators 62 liegende Widerstand 71 begrenzt die Höhe des durch die Primärwicklung
fließenden Stromes.
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An die Sekundärwicklung des Zündimpuls-Transformators 62 ist die Kathoden-Uorelektroden-Strecke
73, 74 des gesteuerten Siliziumgleichrichters 34 angeschlossen. In entsprechender
Weise ist die Kathoden-2orelektroden-Strecke des anderen gesteuerten Siliziumgleichrichters
35 an eine Zündimpulsschaltung angeschlossen, die an das andere Ende der Sekundärwicklung
54 des Steuertransformators angeschlossen ist.
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Die zuvor betrachtete Steuerschaltung arbeitet wie folgt.
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Wenn der Punkt A der Sekundärwicklung 54 des Steuert transformators
ein unter Erdpotential liegendes Potential führt, fließt durch den Vorwiderstand
51 und die Diode 52 zu dem Mittelabgriff 53 der genannten Sekundärwicklung hin
ein
Strom. Wenn der Augenblickswert des Potentials am Punkt A über Erdpotential ansteigt,
sinkt der durch den Vorwiderstand 51 fließende Strom, und das Potential am Verbindungspunkt
69 steigt an. Wenn das Potential am Verbindungspunkt 69 hinreichend hoch ist, wird
die Diode 68 leitend. Dadurch gelangt das Potential +12 V an die Basis des Transistors
64, der dadurch sehr schnell in den leitenden Zustand gelangt. Der nunmehr durch
den Transistor 64 und die Primärwicklung 63 des Transformators 62 fließende Strom
bewirkt, daß der Transformator in die Sättigung gelangt und keinen Strom mehr führt.
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Nachdem von der Sekundärwicklung ein nadelförmiger Spannungsimpuls
an die Torelektrode des gesteuerten ßiliziumgleich richters 34 abgegeben worden
ist, verschwindet die Spannung sofort von der Sekundärwicklung. Der Transformator
ist damit für einen neuen Zyklus wieder bereit.
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Der Zündwinkel des Nadelimpulses ändert sich durch Verändern des Potentials
an der Basis des Transistors 57. Die der Basis des Transistors 57 zugeführte Spannung
bzw. das an der Basis des Transistors 57 herrschende Potential bestimmt den effektiven
Widerstand des Transistors und läßt damit einen höheren oder geringeren Strom durch
den Widerstand 60 fließen. Damit wird der Spannungspegel festgelegt, dem die Sekundärspannung
des Steuertransformators überlagert wird. Die Spannung bzw. das Potential an der
Basis des Transistors 59 wird, wie bereits erwähnt, von dem Abglaichdetektor her
gesteuert. Damit wird der Ziindwinkel der den gesteuerten Siliziumgleichrichtern
34 und 35 zuzuführenden Zündimpulse direkt durch die vorgewählten Werte der Detektor-Brückenschaltung
gesteuert.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten bevorzugten iusführungsform der Erfindung
wird der Zündwinkel der Nadelimpulse durch Andern des Potentials an der Basis des
Eransistors 57 in
Abhängigkeit von einem Analog-Ausgangssignals
des Detektors verändert. Wird die erfindungsgemäße Steuerschaltung zur Festlegung
des Zündwinkels der gesteuerten Siliziumgleichrichtern zuzuführenden Zündimpulse
in einer Anordnung benutzt, in der ein Analogsignal, wie das Detektor-Ausgangssignal,
nicht zur Verfügung steht, so kann der Zündwinkel des jeweiligen Zünd-Nadelimpulses
dadurch geändert werden, daß anstelle der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors
57 ein veränderlicher Widerstand oder ein Potentiometer vorgesehen wird. Mit einem
zwischen der -12 V führenden Leitung 58 und dem Verbindungspunkt des Widerstands
60 und der an den Mittelabgriff der Sekundärwicklung des Steuertransformators angeschlossenen
Leitung 53 geschalteten Potentiometer bewirkt eine Änderung des Potentiometerwiderstands,
z.B. durch manuelle Einstellung, eine wirksame Änderung des Potentials auf der mit
dem Mittelabgriff der Sekundärwicklung des Steuertransformators angeschlossenen
Leitung 53. Eine Änderung des Potentials auf der Leitung 53 bewirkt seinerseits
eine Änderung des Zündwinkels des Nadelimpulses. Demgemäß kann der Zündwinkel der
Zündimpulse für die gesteuerten Siliziumgleichrichter durch entspr2chehde Potentiometereinstellung
manuell verändert werden. In entsprechender Weise ist jedoch auch eine automatische
Zündwinkeländerung durch Verwendung eines Analog-Signals möglich, wie es von dem
Detektor geliefert wird.
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Die Erfindung kann in gleicher Weise auch in einem Dreiphasensystem
angewendet werden, wie es in Fig. 3 dårgestellt ist. Zum Zwecke der Erläuterung
sollen die Detektorschaltung und die Art und Weise, in der das Steuersignal der
Basis des Transistors 57 zugeführt wird, mit der Detektorschaltung und der entsprechendenwin
Verbindung mit dem Einphasen-System gemäß Fig. 2 erläuterten Betriebsweise übereinstimmen.
In Fig. 3 ist das Vorhandensein einer Dreiphasen-Btromquelle 90 angenommen, an die
die
Primäwicklung eines Dreiphasen-Transformators 91 in Dreieckschaltung
angeschlossen ist. Die jeweils einer Phase zugehörigen Sekundärwicklungen des Transformators
91 sind jeweils mit einem Mittelabgriff versehen. Die Mittelaogriffe sämtlicher
Sekundärwicklungen sind miteinander verbunden uns bilden den negativen Ausgangspol
des Regler, An die Enden der den einzelnen Phasen zu gehörigen Sekundärwicklungen
sind ferner jeweils gesteuerte Siliziumgleichrichter angeschlossen, die alle gemeinsam
an einen den positiven Pol des Netzgerates darstellenden Schaltungspunkt hinführen.
Die Sekundärwicklungen des Transformators 91 sind zufolge der Mittelabgriffverbindung
in einer Sechspbasen-Sternschaltung angeordnet.
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Das Steuersystem enthält einen Dreiphasen-Steuertransformator 92,
dessen Primärwicklung in Sternschaltung geschaltet ist. Dadurch wird eine 300-Phaenverschiebung
in Bezug auf die Spannung an der Primärwicklung des Netztransformators 91 erzielt.
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Die Sekundärwicklungen des Steuertransformators weisen alle jeweils
einen Mittelabgriff auf. Die Mittelabgriffe sind gemeinsam mit dem Kollektor des
Transistors 57 verbunden. An jeweils beide Enden Jeder Sekundärwicklung ist jeweils
eine Steuerschaltung des in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Typs angeschlossen.
Die jeweilige Steuerschaltung liegt zwischen der Torelektrode und der Kathode jeweils
eines der an dem Netztransformator angeschlossenen zu steuernden Siliziumgleichrichter.
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Wie bei dem Netztransformator ist die Ausgangsspannung des Steuertransformators
zufolge der Mfttelabgriffver bindung eine sechsphasige Stern-Ausgangsspannung. Von
dieser Ausgangsspannung können sechs, in ihrer Phasenlage jeweils um 600 gegeneinander
verschobene Einphasenspannungen
ausgewählt werden. Durch die zusätzliche
30°-Phasenverschiebung, die zwischen der in Dreieckschaltung geschalteten Primärwicklung
des Netztransformators und der in Sternschaltung geschalteten Primärwicklung des
Steuertransformators besteht, wird die erforderliche 90°-Phasenverschiebung zwischen
den an den Steuerwicklungen auftretanden Zündimpulsen und den an den entsprechenden
gesteuerten Siliziumgleichrichtern auftretenden Spannungen erhalten.
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Bei dem in Fig. 3 schematisch dargestellten Netzgerät ist eine Anzahl
von Varianten möglich. So können z.B. die gesteuerten Siliziumgleichrichter in dem
Primärkreis des Netztransformators anstatt im Sekundärkreis wie dargestellt, angeordnet
sein. Andere Anschlußvarianten der gesteuerten Siliziumgleichrichter an den Netztransformator
sind möglich und in Fig. 5, 6 und 7 gezeigt. In jedem Fall ist die Steuerschaltung,
die zur Zündung der gesteuerten Siliziumgleichrichter dienende Zündimpulse abgibt,
der Einfachheit halber weggelassen. Es dürfte jedoch einzusehen sein, daß der Zündwinkel
der den gesteuerten S ziumgleichrichtern zuzuführenden Zündimpulse dadurch gesteuert
wird, daß die im Zusammenhang mit Fig. 2 bis 4 erläuterten und gezeigten Prinzipien
entsprechend angewandt werden.
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In Fig. 5 sind die gesteuerten Siliziumgleichrichter zu einer Vollweg-Gleichrichterbrücke
geschaltet. Während diese Schaltung zufriedenstellend arbeitet, erfordert sie, daß
der Strom zu jeder Phase durch zwei gesteuerte Siliziumgleichrichter fließt. Dadurch
verdoppelt sich der durch die gesteuerten Siliziumgleichrichter hervorgerufene Leistungsverlust.
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Gemäß Fig. 6 sind die gesteuerten Siliziumgleichrichter in einer Sternschaltung
im Primärkreis des Netztransformators angeordnet; sie bewirken dabei keine Gleichrichtung.
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Diese Schaltung erfordert daher eine Gleichrichtung.
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Fig. 7 zeigt in entsprechender Weise wie Fig. 6 eine Anordnung der
gesteuerten Siliziumgleichrichter in Sternschaltung im Primärkreis des Netztransformators.