DE2030152A1

DE2030152A1 - Schaltung zur Erzeugung einer stabilisierten Gleichspannung mittels einer Phasenanschnittsteuerung mit Thyristor

Info

Publication number: DE2030152A1
Application number: DE19702030152
Authority: DE
Inventors: Ivan Dipl.-Ing. 3000 Hannover; Gabel Jürgen Dipl.-Ing. 5650 Solingen. G05g 5-00 Porges
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1970-06-19
Filing date: 1970-06-19
Publication date: 1971-12-23
Also published as: GB1339953A

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH

6 Frankfurt/Main 70, Theodor-Stern-Kai 1

Hannover, den 12»6,1970 PT-Schr/wie H 70/5

Schal bung zur Erzeugung einer stabilisierten Gleichspannung mittels einer Phasenanschnittstetaerung mit Thyristor

Pur den Betrieb gleichspannungsgespeister elektrischer Geräte an einem Wechselspannungsnetz werden bekanntlich Netzgeräte mit Schaltungsmitteln zur Transformation der Wechselspannung des Netzes und zur anschließenden Gleichrichtung und Siebung verwendet* Die in vielen Fällen erforderliche Stabilisierung der Ausgangsgleichspannung eines solchen Netzgerätes wird bekanntlich zweckmäßigerweise innerhalb eines Regelkreises durch die Steuerung eines elektronischen Ventiles vorgenommen, das parallel oder in Serie mit dem zu speisenden Verbraucher geschaltet ist.

Bei der üblichen Serienregelung wird ein elektronisches Ventil, insbesondere ein Transistor, stetig oder im Schalterbetrieb gesteuert. Der Schalterbetrieb weist bekanntlich den Vorteil auf, daß der Wirkungsgrad wesentlich besser ist als bei stetiger Regelung und daß durch den Einsatz von Thyristoren große Ströme einfacher geregelt werden können als bei der Verwendung von Transistoren. .

Es ist bei einer Schaltung zur Erzeugung einer stabilisierten Gleichspannung aus einer Wechselspannung bei schwankender Wechselspannung und/oder schwankender Last bekannt (Funkschau 1968, S. 556, Fig. 7), die Wechselspannung oder die zuvor transformierte Wechselspannung des Netzes mit einem Thyristor

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zugleich gleichzurichten und mit einer Phasenanschnittsteuerung zu regeln»

Der Thyristor liegt in Serie mit der Last und dem der Last parallel geschalteten Ladekondensator zur Siebung der geregelten Gleichspannung. Die Zündelektrode des Thyristors ist mit einem Impulsgenerator verbunden, der den Thyristor während der positiven Haibwellen in Abhängigkeit von der Eingangswechselspannung und von der Ausgangsspannung, die am Ladekondensator steht uhd mit einer Referenzspannung verglichen wird, in solchen Zeitpunkten zündet, daß das vom Ladekondensator gebildete Integral der vom Thyristor geschalteten Stromimpulse gleich der gewünschten Sollspannung wird. Der einmal gezündete Thyristor bleibt solange stromführend, bis der durch ihn hindurchfließende Strom einen als Haltestrom bezeichneten Wert unterschreitet» Dies ist spätestens dann der Fall, wenn die am Thyristor liegende Spannung negativ wird.

Diese Schaltung hat aber zwei entscheidende Nachteile, die weitet unten bei der Beschreibung der Fig. 2 noch näher erläutert werden. Zum einen geht bei geringer Last der Entladevorgang des Ladekondensators so langsam vor sich, daß der Thyristor in einzelnen Halbperioden, in denen er an sich positiv vorgespannt ist, nicht gezündet wird. Ein solches nichtsynchrones Zünden des Thyristors in Bezug auf die Netzfrequenz bzw. bei Doppelweggleichrichtung, die durch eine gesonderte Gleichrichterbrücke vorgenommen werden kann, in Bezug auf die doppelte Netzfrequenz zwingt der Gleichspannung eine Welligkeit mit tiefen Frequenzen auf, die ohne zusätzlichen Aufwand nicht herausgesiebt werden kann. Ein ähnliches Aussetzen der Synchronisierung von Zündimpulsen und positiver Thyristorspannung tritt auf, wenn die Last sehr groß wird» Dies erklärt sich dadurch, daß bei großer Last der Zündimpuls vom Impulsgenerator so früh, d.h. gleich zu Beginn der an der Reihenschaltung von Last und Thyristor liegenden positiven Halbwelle, auf die Zündelektrode des Thyristors gegeben wird, daß

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die am Thyristor liegende Spannungsdifferenz zwischen der genannten Spannung und der Ausgangsgleichspannung noch negativ ist, der Thyristor also noch gar nicht zünden kann. Der Zündimpuls geht in diesem Falle wirkungslos verloren, und der Ladekondensator wird in dieser Halbwelle nicht aufgeladen.

Bei einer anderen bekannten Schaltung (Wireless World 1969, S. 389, Fig. 9) wird die transformierte Wechselspannung zunächst von einem Doppelweggleichrichter gleichgerichtet und die ungesiebte Gleichspannung anschließend mittels eines Thyristors geregelt, der von einem Impulsgenerator angesteuert wird. Auch bei dieser Schaltung besteht die Gefahr des unregelmäßigen, nichtsynchronen Zündens. Aus diesem Grunde wird in der genannten Schaltung versucht, der Zündelektrode des Thyristors mit Hilfe eines zusätzlichen Netzwerkes aus mehreren Widerständen und Kondensatoren gegen Ende einer jeden positiven Halbwelle einen Zündimpuls zuzuführen, d.h. dem Thyristor eine synchrone Zündung aufzuzwingen. Sieht man von dem nachteiligen zusätzlichen Aufwand an Schaltungselementen ab, so ermöglicht selbst eine sehr genaue Dimensionierung der Schaltung nur einen kleinen Bereich des Ausgangsstromes, innerhalb dessen die Ausgangsspannung durch synchrones Zünden des Thyristors geregelt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,eine Schaltung zur Spannungsstabilisierung zu schaffen, bei der der Thyristor trotz eines großen Bereiches, innerhalb dessen der Ausgangsstrom schwankt, z.B. 40 nA (eff )bis 5A(eff), immer synchron mit der einfachen oder doppelten Netzfrequenz geschaltet wird.

Die Erfindung bezieht sich also auf eine Schaltung zur Erzeugung einer stabilisierten Gleichspannung aus einer Wechselspannung bei schwankender Wechselspannung und/oder schwankender Belastung der Gleichspannung durch Gleichrichtung und Regelung der ungesiebten Gleichspannung mittels einer Phasenanschnittsteuerung mit Thyristor und mittels anschließender Siebung mit

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einem Ladekondensator. Die Erfindung besteht darin, daß als Betriebsspannung des die Zündimpulse für den Thyristor liefernden Generators die durch Gleichrichtung der am thyristor stehenden Wechselspannung gewonnenen positiven Anteile dieser Wechselspannung dienen. .

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild bekannter Schaltungen, Fig. 2 ein"Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der Spannungen nach Fig. I^ ·

Fig» 3 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung und Fig. 4 die Schaltung eines Ausführungsbeispieles.

Die Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild der bekannten nachteiligen Schaltungen, bei denen die Netzspannung mit Hilfe des Transformators TR transformiert wird. Der häufig als Doppelweggleichrichter aufgebaute Gleichrichter GL richtet die transformierte Wechselspannung gleich, d.h. die Gleichrichtung der Wechselspannung wird gesondert vor der Regelung vorgenommen. Die ungesiebte Gleichspannung U-. wird von dem elektronischen Ventil TH, einem Thyristor, mittels Phasenanschnittsteuerung geregelt, von einem Ladekondensator C gesiebt und dem die Last darstellenden Widerstand R^ als geregelte Gleichspannung Ü_A zugeführt. Der Impulsgenerator IG wird mit der Betriebsspannung ■> £ betrieben und vpn einem Vergleicher VG angesteuert, der die Ausgangsgi eichsparaavmg mit der gewünschten Sollspannung U--vergleicht. Die Zündimpulse des Impulsgenerators IG werden der Zündelektrode des Thyristors TH zugeführt.

Die Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der am Ausgang des Gleichrichters GL stehenden Spannung U_, der geschalteten Ausgangs spannung U_A und der Referenzspannung ^υ _8ο·π· ^Ur" die nachteilige Wirkung dieser Schaltung bei großer und kleiner Last zu erklären, sei vorausgesetzt, daß die Eingangswechselspannung konstant sei. Der Zündimpulsgenerator IG in Fig. 1

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erzeugt immer dann, wenn die Ausgangsspannung U_A die Referenz-* spannung U_go-t-, unterschreitet, einen Zündimpuls.

Nimmt man an, daß die Last groß ist, d.h. der Widerstand klein ist, so sinkt die Ausgangsspannung U. am Kondensator nach dem Aufladen des Kondensators zum Zeitpunkt t.. bei normaler Last.

(siehe Fig. 2) so stark ab, daß sie zum Zeitpunkt t^ kleiner wird als die Referenzspannung U₁-., der Impulsgenerator also zündet.

Aus der sich nach Pig. I ergebenden Schleifengleichung ^UT ^{a U}B ~ ^UA ^er9^*^>t sich, daß die am Thyristor, liegende Spannung U_T zum Zeitpunkt tj noch negativ ist, der Thyristor also noch gar nicht zünden kann. Da« hat zur Folge, daß der Thyristor unregelmäßig gezündet wird.

Auch im anderen Grenzfall der Belastung, d.h. bei geringer Last, wird der Impulsgenerator erst dann einen Zündimpuls abgeben, wenn die Ausgangsspannung an dem zum Zeitpunkt t₄ aufgeladenen Kondensator C auf den Wert der Referenzspannung U^. gesunken ist. Dies sei in der Flg. 2 zum Zeitpunkt tg der Fall· Wie man sieht, kann der Thyristor in der Halbschwingung von te bis tη nicht gezündet werden, weil zum Zeitpunkt tg die Spannung U- am Thyristor schon wieder negativ ist.

In der Fig. 3 ist das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung zu sehen· pie Wechselspannung des Netzes wird vom Transformator TR transformiert und vom Gleichrichter GL 1 gleichgerichtet. Die ungesiebte Eingangsgleichspannung U_ wird vom Thyristor TH geregelt und unmittelbar anschließend von einem Ladekondensator C gesiebt. Die Last R, belastet die geregelte Ausgangsgleichspannung ü., deren Wert von dem Vergleicher VG mit der Sollspannung ü .. verglichen wird. Erfindungsgemäß wird die Betriebsspannung des Impulsgenerators IG, der seine Zündimpulse auf die Zündelektrode des Thyristors gibt, direkt von den Anschlußelektroden des Thyristors abgenommen und mittels eines Gleichrichters GL 2 so gleichgerichtet, daß nur die positiven Anteile von dieser Spannung U-, den Impulsgenerator IG in Betrieb setzen können. Während die Betriebsspannung des Impulsgenerators

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bei den bekannten Schaltungen an der Reihenschaltung aus Thyristor und Last abgegriffen wird, geschieht dies bei der erfindüngsgeroäßen Schaltung direkt am Thyristor.

Dies hat die vorteilhafte Wirkung, daß bei einer solchen Regelung der Impulsgenerator IG grundsätzlich nur dann Zündimpulse erzeugen kann, wenn der Thyristor positiv vorgespannt und damit zündbereit ist.

In dem Fall großer Belastung bedeutet das, daß der Impulsgenerator das dem Zeitpunkt t~ in Fig. 2 entsprechende Kriterium, daß die Ausgangsspannung U. unter den Wert U__oll abgesunken ist, erst zum Zeitpunkt t^ auswertet, also erst dann einen Zündimpuls liefert, wenn der Thyristor TH in Fig. 1 positiv vorgespannt ist. Dies hat somit eine regelmäßige Zündung des Thyristors auch bei großer Last zur Folge.

Im Fall geringer Belastung ist es von Vorteil, daß bei der erfindungsgemäßen Schaltung bei der Dimensionierung der Vergleichsschaltung und des Impulsgenerators, d.h. bei der Festlegung der die Regelwirkung bestimmenden Schleifenverstärkung des geschlossenen Regelkreises, relativ großzügig und problemlos so vorgegangen werden kann, daß die Ausgangsgleichspannung bei einer Änderung des Ausgangsstromes in einem großen Bereich, z.B. zwischen 40 mA (effektiv) und 5 A (effektiv), ohne Aussetzung der Thyristorzündung in einzelnen Halbwellen stabilisiert werden kann.

Die Fig. 4 zeigt die Schaltung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung. Die Netzwechselspannung von 220 V wird von dem Transformator TR transformiert und von der Gleichrichterbrücke GL^ gleichgerichtet. Diese Gleichspannung wird von dem Thyristor TH geschaltet und anschließend mit dem zum Lastwiderstand R. parallel geschalteten Ladekondensator C₃ gesiebt. Die an der Kathode des Thyristors TH liegende gesiebte und geregelte

Ausgangsgleichspannung speist über den Widerstand R* einen

R «

asymmetrischen VDR-Widerstand^ an dem eine nahezu konstante

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Spannung abfällt, die als Vergleichs spannung U-- entsprechend der Fig. 3 benutzt wird« Diese Vergleichsspannungtmd*ein über den aus den Widerständen R₇, R« und R_g gebildeten Spannungsteiler abgezweigter Teil der Ausgangsgleichspannung werden dem

VG
als Vergleicher/arbeitenden Transistor T^, zugeführt. Bei steigender Ausgangsgleichspannung sinkt die Spannung am Transistor T* | entsprechend steigt die Spannung am Transistor T^, wenn die Ausgangsgleichspannung sinkt· Eine Erhöhung der Spannung am Transistor T_-. bedingt eine Verringerung der an dem Widerstand R₂ abfallenden Spannung. Diese am Widerstand R« abfallende Spannung steuert den die drei Transistoren Tg» T- und T₄ enthaltenden Impulsgenerator IG. Dabei wird der Transistor T₂- als ein gesteuerter Widerstand benutzt, Ober den der Kondensator Cp bei einer großen Ausgangsgleichspannung langsam und bei einer kleinen Ausgangsgleichspannung schneller aufgeladen wird« Die Betriebsspannung für den Impulsgenerator IG, die auch den Strom für die Aufladung des Kondensators C₂ liefertj wird durch Gleichrichten mittels der Diode GL₂ der positiven Spannungsanteile der am Thyristor TH liegenden Spannung erzeugt. Der aus den komplementären Transistoren T₃ und T₄ und dem Spannungsteiler aus den Widerständen R₃ und R₄ gebildete Schaltungsteil arbeitet als Kippschaltung, die als eine Kachbildung einer bekannten Kippschaltung mit einer Vierschichtdiode angesehen werden kann. Wenn die Spannung an dem Kondensator C₂ einen bestimmten Wert erreicht hat, kippen die eng gekoppelten Transistoren T₃ und T₄ von dem gesperrten in den leitenden Zustand und leiten über den Widerstand R₅ einen Zündimpuls auf die Zündelektrode des Thyristors TH. Sogleich wird der Kondensator C₂ entladen und damit eine Sperrung der Transistoren T- und T₄ bewirkt. Somit ist die Schaltung wieder für einen erneuten Kippvorgang bereit. Die Diode GL₃ schützt die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T₂ vor zu großen Sperrspannungen.

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Da die Aufladung des Kondensators T₂ umso schneller erfolgt und damit der Zündlmpuls vom Zündimpulsgenerator umso eher abgegeben wird, je kleiner die Ausgangsgleichspannung ist, wird diese auf einen nahezu konstanten Wert ausgeregelt. Dai ferner eine Betriebsspannung für den Impulsgenerator IG erfindungsgemäß nur dann vorhanden ist, wenn der Thyristor TH auch zündbereit ist, hat die Aufladung des Kondensators C₂ Zündimpulse zur Folge,, die bei großer Belastung _t d.h. bei einem kleinen Widerstand Rj. immer auf einen zündbereiten Thyristor treffen. Aus diesem Grunde hat eine Dimensionierung der-Schaltung für eine synchrone Zündung auch bei kleiner Belastung, also bei einem großen Widerstand R,, keinen Einfluß auf die Synchronisierung bei einer großen Belastung. Man kann die Schaltung also so dimensionieren, daß ein großer Bereich des Ausgangsstromes mit synchroner Zündung ausgeregelt wird· Ein nach der Schaltung der Pig. 4 gebautes Ausführungsbeispiel arbeitet in einem Bereich von 40 mA(pff)bls 5 ACeff) einwandfrei. .

Da beim Schalten der durch Gleichrichten aus der Wechselspannung gewonnenen Spannung mittels des Thyristors TH hochfrequente Störspannungen entstehen, ist ein aus dem Kondensator C₁ und der Drossel DR gebildeter Tiefpaß in die Schaltung eingebaut. Der Widerstand R^₀ und der Kondensator C. schützen den Thyristor TH gegen unzulässig hohe Spannungsspitzen, die den Thyristor zerstören können.

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Claims

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Patentanspruch

Schaltung zur Erzeugung einer stabilisierten Gleichspannung aus einer Wechselspannung bei schwankender Wechselspannung und/oder schwankender Belastung der Gleichspannung durch Gleichrichtung und Regelung der ungesiebten Gleichspannung mittels einer Phasenanschnittsteuerung mit Thyristor und mittels anschließender Siebung mit einem Ladekondensator, dadurch gekennzeichnet, daß als Betriebsspannung des die Zündimpulse für den Thyristor liefernden Generators die durch Gleichrichtung der am Thyristor stehenden Wechselspannung gewonnenen positiven Anteile dieser Wechselspannung dienen.

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