CH663502A5

CH663502A5 - Tiefpassfilter fuer elektrische verbraucher, wie ac/dc-wandler.

Info

Publication number: CH663502A5
Application number: CH6276/83A
Authority: CH
Inventors: Ernst Wiesner
Original assignee: Zumtobel Ag
Priority date: 1983-01-03
Filing date: 1983-11-23
Publication date: 1987-12-15
Also published as: JPH0582144B2; DE3342011A1; ATA683A; AT375498B; JPS59220069A; DE3342011C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tiefpassfilter für elektrische Verbraucher, insbesondere AC/DC-Wandler mit einer Gleichrichterschaltung und mindestens einem am Gleichspannungsausgang vorgesehenen Kondensator sowie mindestens einer der Gleichrichterschaltung vorgeschalteten, in einer Versorgungsleitung für die Gleichrichterschaltung angeordneten Drosselspule mit mindestens einer Wicklung und einem Eisenkern.

Bekannte Gleichrichterschaltungen mit Glättungskondensa-toren haben den Nachteil, dass sie eine ausgeprägte Netzrückwirkung aufweisen. Wird die Schaltung an die Netzspannung angeschlossen, so wird der Kondensator aufgeladen. Dieser Kondensator ist relativ gross bemessen, damit die Ausgangsspannung möglichst konstant gehalten werden kann. Bei angeschlossenem Verbraucher weist in der Folge der primärseitige Stromverlauf extreme Spitzen auf, welche ausgefiltert werden müssen da die dadurch bedingten Oberwellen das Versorgungsnetz stören, insbesondere dann wenn über das Netz hochfrequente Steuerimpulse gesandt werden, wie dies bei den heutigen Versorgungsnetzen üblich ist (tonfrequente Steueranlagen).

Zur Behebung dieser Nachteile wurden schon eisenbestückte Drosseln der Gleichrichterschaltung vorgelagert, eventuell auch in symmetrischer Anordnung. Diese Drosseln müssen extrem stark dimensioniert sein. Zusätzlich werden Kondensatoren vorgesehen. Diese Serienschaltung von Eisendrossel und Kondensator bilden einen Reihenschwingkreis, der zu erheblichen Spannungsüberhöhungen im Leerlauf führt.

Zur Reduzierung bzw. Unterbindung der Netzrückwirkung solcher Schaltungen wurden auch schon elektronische Filter entwickelt, wobei hier Halbleiterschalter verwendet werden, die das Netz gleichmässig belasten, wobei durch zusätzliche Anordnung von Induktivitäten und Kondensatoren eine mehr oder weniger konstante und lastunabhängige Gleichspannung gewonnen werden kann. Diese Schaltungen arbeiten mit Hochfrequenzimpulsen, deren Rückwirkung auf das Versorgungsnetz einen zusätzlichen aufwendigen Filtereinsatz fordern. Wenngleich durch diese bekannten Massnahmen die Gleichspannung konstant gehalten werden kann und nur ein ausserordentlich geringer Oberwellenanteil in das Versorgungsnetz gelangt und auch darüberhinaus mit solchen Schaltungen sogar noch zusätzliche Steuerungs- und Regelaufgaben gelöst werden können, liegt ihr Nachteil in ihrem ausserordentlichen apparativen Aufwand, der nur mit hohen Kosten zu bewältigen ist.

Die Erfindung geht nun von der erstskizzierten Schaltung aus und sie zielt auf eine Verbesserung der elektrischen Eigenschaften dieser Schaltung ab, wobei mit einem minimalen apparativen Aufwand die Lastabhängigkeit vermieden und die Filterwirkung in weitem Frequenzbereich verbessert werden soll. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt dadurch, dass die Wicklung der Drossel eine Anzapfung aufweist, welche mit der Gleichrichterschaltung verbunden ist und das Ende der Wicklung der Drossel über einen Kondensator mit der zweiten Versorgungsleitung für die Gleichrichterschaltung verbunden ist. Damit wird aber auch die Güte des Schwingkreises verbessert, da der Verbraucher über eine Anzapfung angekoppelt ist.

Eine zweckmässige Ausgestaltung der Erfindung auch darin, dass die Wicklung der Drossel aus zwei hintereinander geschalteten Teilwicklungen besteht, zwischen welchen die Gleichrichterschaltung angeschlossen ist und der Eisenkern der Drossel mindestens einen die Achsen der Teilwicklung querender Streusteg besitzt. Damit ist es möglich, höhere, oberhalb der Resonanzfrequenz liegende Oberschwingungsanteile stark zu dämpfen. Eine besonders starke Dämpfung für hohe Frequenzen, also für Frequenzen, die erheblich oberhalb der Resonanzfrequenz liegen, beispielsweise Störfrequenzen im Radiobereich wird dann erreicht, wenn in jeder der beiden Versorgungsleitungen für die Gleichrichterschaltung eine Drossel mit angezapfter oder zweigeteilter Wicklung angeordnet ist.

Um den Tiefpassfilter konstruktiv einfach zu gestalten, ist es zweckmässig, dass die Wicklungen der Drossel einen gemeinsamen Kern aufweisen, oder aber den Tiefpassfilter so auszubilden, dass die beiden Wicklungen der Drossel unsymmetrische Anzapfungen, beziehungsweise unsymmetrische Teilwicklungen aufweisen.

Um höhere, oberhalb der Resonanzfrequenz liegende Oberschwingungsanteile stark zu dämpfen und um die Anordnung darüber hinaus symmetrisch zu gestalten, ist ferner vorgesehen, dass mindestens eine Wicklung einer Drossel zwei in reihengeschaltete Teilwicklungen aufweist und der Eisenkern mindestens einen die Achsen dieser Teilwicklungen querenden Streusteg aufweist. Zur Erzielung einer extremen Filterwirkung bezüglich einer Frequenz oder aber bezüglich mehrerer unterschiedlicher Frequenzen sind der Gleichrichterschaltung mehrere Drosseln mit angezapfter Wicklung und/oder mit Teilwick5

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lungen und endseitig angeordneten Kondensatoren in Form einer Kaskadenschaltung vorgeschaltet.

Durch die Abstimmung der Resonanzfrequenz des aus Drossel und Kondensator bestehenden Schwingkreises auf ca. 164 Hz. kann mit einem einzigen Filter in Netzen mit 50 oder 60 Hz. Netzfrequenz gearbeitet werden, wobei in der Regel ausreichende Dämpfung erzielt werden kann.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine herkömmliche Schaltung, von der die Erfindung ausgeht;

Fig. 2 den Strom verlauf auf der Netzspannungsseite;

Fig. 3 bis 7 und 10 bis 12 verschiedene Schaltungen in der erfindungsgemässen Anordnung;

Fig. 8 den Stromverlauf bei der Schaltung nach Fig. 3 auf der Netzspannungsseite.

Zur Bezeichnung funktionell gleicher Teile sind in den einzelnen Figuren gleiche Hinweisziffern verwendet worden.

Fig. 1 veranschaulicht eine herkömmliche Schaltung. Ein Vierwegegleichrichter 1 ist über die beiden Versorgungsleitungen 2 und 3 mit einem Wechselspannung (AC) führenden Netz verbunden. In der einen Versorgungsleitung 3 liegt eine eisenbestückte Drossel 4, welcher ein Kondensator 5 zugeschaltet ist. Die Ausgangsleitungen 6 und 7 des Gleichrichters 1 führen zu einem Gleichspannungs-(DC)-Verbraucher V, welchem ein Glättungskondensator 8 parallelgeschaltet ist.

Fig. 2 zeigt den netzseitigen Stromverlauf bei einer Gleichrichterschaltung mit Ladekondensator, jedoch ohne Filterdrossel.

Fig. 3 zeigt nun eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schaltung. Die eisenbestückte Drossel 4 besitzt eine Anzapfung 10, die mit der Gleichrichterschaltung 1 verbunden ist. Das Ende der Wicklung der Drossel 4 ist über den Kondensator 11 mit der anderen Versorgungsleitung 2 verbunden. Dabei kann die Induktivität der Drossel 4 beliebig gross gewählt werden, wobei die Induktivität auf die ausgeprägteste Oberwelle abgestimmt werden kann, und zwar die Induktivität der gesamten Drossel. Fig. 8 zeigt nun den dadurch erzwungenen Stromverlauf auf der Versorgungsseite dieser Schaltung.

Eine weitere Verbesserung bringt die Schaltung nach Fig. 4 Hier ist die Wicklung der Drossel 4 in zwei hintereinandergeschaltete Teilwicklungen 4' und 4' ' unterteilt, wobei der An-schluss 10 für die Gleichrichterschaltung zwischen diesen beiden Wicklungen liegt. Ferner besitzt der Eisenkern einen Streupfad 12, der zwischen den beiden Teilwicklungen 4' und 4' ', und zwar quer zu deren Achse verläuft. Der aus Fig. 8 ersichtliche Zacken im Stromverlauf ist bei dieser Schaltung erheblich geglättet. Um Hochfrequenzeinflüsse zu vermeiden, wird die Anordnung zweckmässigerweise symmetrisch aufgebaut, wie dies Fig. 5 zeigt, wobei hier die beiden Drosseln 4 und 40 einen gemeinsamen Eisenkern besitzen; Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung in Form einer Kombination der aus den Fig. 4 und 5 erkennbaren Schaltungsmassnahmen. Weitere Kombinationen der aufgezeigten Schaltungseinzelheiten zeigen die Fig. 10, 11 und 12.

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Fig. 7 zeigt eine Kaskadenschaltung, deren Wirkungsweise sich aus dem Gesagten unmittelbar für den Fachmann ergibt. Jeder Drossel 4, 40 ist ein Überbrückungskondensator 11, 110 zugeordnet. Die Anzahl dieser L-C-Glieder kann noch beliebig vermehrt werden, wobei die einzelnen Drosseln 4, 40 bzw. Kondensatoren 11, 110 unterschiedliche Werte aufweisen können. Auch hier ist eine symmetrische Anordnung möglich, in dem in den beiden Zuleitungen für die Versorgungsspannung Drosseln 4 bzw. 40 paarweise angeordnet sind. Ist die Resonanzfrequenz des aus Drossel 4, 4' - 4", 40 und den Kondensatoren 11, 110 bestehenden Schwingkreises auf ca. 164 Hertz abgestimmt, so ist die Filterwirkung bei den beiden üblichen Netzfrequenzen von 50 bzw. 60 Hertz praktisch gleich. Das Gerät kann mit Gleichspannung, oder mit Wechselspannung von 50 bis 60 Hertz betrieben werden.

Die Vorteile dieser Schaltungen haben Versuche hinreichend bestätigt. Im einzelnen sind diese Vorteile wie folgt zu bezeichnen: bestimmbarer, sehr kleiner Oberwellengehalt; hohe Hochfrequenzdämpfung, in der Regel ohne zusätzliche Filter; niedrige Leerlaufspannung; geringe Lastabhängigkeit; sehr niedrige Verluste und damit hoher Wirkungsgrad; hervorragende Reduktion von Netzspannungstransienten; hoher Tonfrequenzscheinwiderstand.

Werden in einem Schaubild in Abhängigkeit des Windungszahlverhältnisses die hier interessierenden Werte aufgetragen, so ergibt sich das Bild nach Fig. 9. Das Windungszahlverhältnis wurde ermittelt aus:

(wi + w2)/wi wobei wi die Windungszahl ist, die (Fig. 3) zwischen dem netzseitigen Anschluss der Drossel 4 und dem Anschlusspunkt 10 der Gleichrichterschaltung liegt; w2 ist die Windungszahl der Drossel 4 zwischen Anschlusspunkt 10 und Kondensator 11. Es bedeutet ferner:

Uo

Leerlaufspannung

L

Induktivität der Drossel 4

C

Kapazität des Kondensators 11

T|

Leistungsfaktor n.OW =

Anteil der n-ten Oberwelle

Nv

Verlustleistung

WZN =

Windungszahlverhältnis.

Dieses Schaubild macht deutlich, dass für ein bestimmtes Windungszahlverhältnis der Anteil der dritten Oberwelle minimiert werden kann und dass bei der Abstimmung der Einrichtung auf diese dritte Oberwelle auch die weiteren ungeradzahligen Oberwellen-Anteile ganz erheblich zurückgehen.

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3 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Tiefpassfilter für elektrische Verbraucher, insbesondere AC/DC-Wandler mit einer Gleichrichterschaltung und mindestens einem am Gleichspannungsausgang vorgesehenen Kondensator sowie mindestens einer der Gleichrichterschaltung vorgeschalteten, in einer Versorgungsleitung für die Gleichrichterschaltung angeordneten Drosselspule mit mindestens einer Wicklung und einem Eisenkern, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung der Drossel (4) eine Anzapfung (10) aufweist, welche mit der Gleichrichterschaltung (1) verbunden ist und das Ende der Wicklung der Drossel (4) über einen Kondensator (11) mit der zweiten Versorgungsleitung (2) für die Gleichrichterschaltung (1) verbunden ist.

2. Tiefpassfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung der Drossel (4) aus zwei hintereinander geschalteten Teilwicklungen (4' ,4") besteht, zwischen welchen die Gleichrichterschaltung (1) angeschlossen ist und der Eisenkern der Drossel (4) mindestens einen die Achsen der Teilwicklungen querenden Streusteg (12) besitzt (Fig. 4).

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PATENTANSPRÜCHE

3. Tiefpassfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder der beiden Versorgungsleitungen (2, 3) für die Gleichrichterschaltung (1) eine Drossel (4, 40) mit angezapfter oder zweigeteilter Wicklung angeordnet ist, und die Wicklungsanzapfung (10) mit der Gleichrichterschaltung (1) verbunden ist, und die Enden der Wicklungen der Drossel (4, 40) über einen Kondensator (11) miteinander verbunden sind (Fig. 5, 6).

4. Tiefpassfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen der Drosseln (4, 40) einen gemeinsamen Eisenkern aufweisen (Fig. 5, 6, 11, 12).

5. Tiefpassfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wicklungen der Drosseln (4, 40) unsymmetrische Anzapfungen (10) bzw. unsymmetrische Teilwicklungen aufweisen (Fig. 6).

6. Tiefpassfilter nach Anspruch 3 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wicklung einer Drossel (4) zwei in Reihe geschaltete Teilwicklungen (4' ,4") aufweist und der Eisenkern mindestens einen die Achsen dieser Teilwicklungen (4' ,4") querenden Streusteg (12) aufweist (Fig. 4; 6; 10, 11, 12).

7. Tiefpassfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichterschaltung (1) mehrere Drosseln (4, 40) mit angezapfter Wicklung und/oder mit Teilwicklungen und endseitig angeordneten Kondensatoren (11, 110) in Form einer Kaskadenschaltung vorgeschaltet sind (Fig. 7).

8. Tiefpassfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des aus Drossel (4, 4' - 4" , 40) und Kondensator (11, 110) bestehenden Schwingkreises auf ca. 164 Hertz abgestimmt ist.